Контрольно-измерительные средства

Устройства преобразования, хранения, распределения и выдачи информации входят, как правило, в состав модулей программируемых контроллеров. В технологических агрегатах и комплексах используются разнообразные устройства, предназначенные для получения информации. Имеются следующие тенденции развития таких устройств:
расширяющееся применение датчиков для контроля электромагнитных, механических и технологических переменных, качества изделий;
стремление к использованию методов прямого измерения контролируемых переменных и установке датчиков в непосредственной близости от исполнительных органов рабочей машины;
применение датчиков для контроля состояния электротехнического, механического и технологического оборудования; использование информации для диагностирования и оповещения операторов через компьютерные системы управления о состоянии оборудования.
В современном оборудовании контролю подвергаются: температура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, управляемых преобразователей, опорах механизмов; степень вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы; зазоры в механических передачах; усилия и упругие моменты в механизмах; износ технологического оборудования и др.
' В качестве основных контрольно-измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы.
В основном датчики представляют собой единое изделие (собственно датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифицированные сигналы (УС): релейные, непрерывные токовые (0...5 мА, 0...20 мА) и непрерывные напряжения постоянного тока (0... 10 мВ, 0...50 мВ, 0... 1 В, 0... 10 В, 0... 12 В, 0...24 В), непрерывные частотные (1500...2500 Гц, 4000...8000 Гц), непрерывные напряжения переменного тока частотой 50 Гц (0... 1 В, 0...2 В) и др. Перечисленные электрические сигналы определены стандартами.
Датчики оцениваются по точности, линейности и разрешающей способности, частотной характеристике, характеристике шума, входному и выходному импедансу (полному сопротивлению) и др. По структуре построения в зависимости от способа соединения элементов датчики могут быть с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.
Датчики электромагнитных переменных. Датчики тока и напряжения. В системах автоматического управления электроприводом сигналы, пропорциональные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Преобразованные сигналы датчиков используются также для измерения ЭДС, мощности, потока и т.д. Основными задачами при создании датчиков тока и напряжения являются задачи гальванического разделения силовых цепей и цепей управления, обеспечения высокого быстродействия и точности.
В аналоговых датчиках напряжения для разделения цепей применяют модуляцию входного напряжения и трансформирование с последующей демодуляцией и усилением.
В качестве датчиков тока все шире используются преобразователи, основанные на эффекте Холла, которые строятся в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из магнитомягкого материала намагничивается при помощи обмотки, по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока. Датчики тока с использованием эффекта Холла обеспечивают гальваническую развязку между цепями измерения и выходной при напряжениях до нескольких киловольт, точность до 1 % и полосу пропускания до 1 кГц.
Датчики потока и магнитной индукции. Для контроля указанных параметров применяют датчики Холла. Достоинствами этих датчиков являются: возможность измерения постоянных и переменных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение из-за малых размеров преобразователей. Недостатком является сравнительно большая зависимость постоянной Холла и, следовательно, ЭДС от температуры.
Датчики механических переменных. Датчики параметров движения. Эти датчики предназначены для получения информации о линейных и угловых перемещениях, скоростях и ускорениях, силах и моментах.
Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам перемещений, являются: высокая точность измерения (или контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра, малые нелинейные искажения.
Существующие датчики перемещений могут классифицироваться по различным признакам, основными из которых являются характер измеряемых перемещений, физический принцип действия чувствительного элемента, структура построения, вид выходного сигнала.
По физическому принципу действия чувствительного элемента все существующие датчики можно разделить на:
фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности (датчики снабжаются каналом нулевого импульса — началом отсчета, что дает возможность при наличии счетчика использовать датчик не только для регулирования скорости, но и как датчик положения);
электростатические — емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации);
электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности);
электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны);
реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления);
лазерные (интерферометрические).
Сравнительный анализ перечисленных датчиков показывает, что, например, электростатические, в частности емкостные, датчики обладают высокой чувствительностью и добротностью, малой нелинейностью характеристики, малыми тепловыми потерями. Однако широкое распространение емкостных датчиков ограничено большим выходным сопротивлением, необходимостью жесткой герметизации, трудностью исключения влияния паразитных емкостей.
Электромагнитные индуктивные датчики уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но превосходят их по выходной мощности, помехоустойчивости, надежности в условиях производства (где возможны колебания температуры и влажности окружающей среды).
Достоинствами электромеханических электроконтактных датчиков являются простота конструкции, большие мощность и амплитуда выходных сигналов. К недостаткам следует отнести худшие по сравнению с другими датчиками метрологические характеристики — как статические, так и динамические.
Фотоэлектрические датчики обладают наибольшей точностью среди существующих преобразователей, наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, малыми размерами и массой, отсутствием механической связи с контролируемым объектом, малой инерционностью, возможностью дистанционного измерения и контроля без измерительного усилия. К недостаткам фотоэлектрических датчиков следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность.
Тахогенераторы постоянного тока серии ПТ и переменного тока серии ТТ применяются в регулируемых электроприводах средней и большой мощности при невысокой точности регулирования скорости. Они обладают низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик. Магнитная система тахогенераторов ПТ свободно расположена на валу посредством шариковых подшипников и фиксируется креплением к подшипниковому щиту приводного электродвигателя. Тахогенераторы с частотой вращения 600 мин-1 и выше выполняются с добавочными полюсами. Тахогенераторы серий ПТ и ТТ имеют значительные размеры и массу, используются в основном как датчики скорости в мощных приводах прокатных станов, агрегатов бумажной, химической промышленности и как датчики скорости мощных турбоагрегатов.
Для приводов средней мощности, не требующих высокой точности регулирования скорости, используются тахогенераторы постоянного тока серий ЭТ, ТМГ, ТД.
Тахогенераторы серий ПТ и ТТ предназначены для работы в запыленных помещениях в условиях умеренного и тропического климата. Тахогенераторы ПТ производят в закрытом исполнении с естественным охлаждением. По способу монтажа тахогенераторы имеют фланцевое исполнение со станиной без лап.
Для станочного привода используются тахогенераторы серии МЭТ, обладающие малой асимметрией и нелинейностью характеристик.
В комплектных электроприводах используются встроенные тахогенераторы, размещенные на одном валу с двигателем, при этом кроме указанных серий тахогенераторов используются машины типа СЛ.
В современном электроприводе не применяют соединение та-хогенератора с валом посредством гибкой передачи и редукторов, так как гибкие передачи обладают свойствами колебательного звена и ухудшают динамику привода, а работа редуктора затруднена из-за наличия люфтов в передачах.
Однако высокие точностные и эксплуатационные требования, предъявляемые к промышленным системам автоматики, привели к тому, что в качественных системах в основном используют фотоэлектрические и электромагнитные датчики перемещения и скорости с цифровой обработкой сигналов.
Датчики усилия. В этих датчиках применяют магнитострик-ционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Работа магнитострикционного (магнитоупругого) преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействует внешняя механическая сила, то тело деформируется, домены изменяют свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Таким образом, возникает магнитострикционная составляющая деформации, которая накладывается на чисто механическую деформацию, подчиняющуюся закону Гука. Поэтому упругие свойства ферромагнитного материала меняются с изменением усилия. При этом происходит изменение магнитных свойств, которое отражается на кривой намагниченности (обратный магнитострикционный эффект). Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества ц. = В/Н, то при заданной напряженности поля Я изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости. Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину.
Лучшими метрологическими характеристиками обладает маг-нитоанизотропный трансформаторный датчик. Пока измеряемая сила не действует, магнитопровод такого преобразователя магни-тоизотропен: его магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях. Действие силы приводит к уменьшению магнитной проницаемости в направлении сжимающей силы и к увеличению — в поперечном направлении (при применении пермаллоя в качестве материала сердечника). Под действием механических напряжений материал становится магнитоанизотропным.
Датчик изготавливают из листового ферромагнитного пакета пластин, имеющих четыре отверстия, сквозь которые пропускают обмотку питания и измерительную обмотку, образующие первичную и вторичную обмотки трансформатора. Они расположены под углом 45° к направлению действия силы и под углом 90° друг к другу. Магнитное поле, создаваемое обмоткой питания при отсутствии измеряемой силы, направлено параллельно виткам измерительной обмотки и не заходит в нее. В измерительной вторичной обмотке ЭДС не индуцируется. Под действием силы магнитная проницаемость изменяется, что вызывает деформацию магнитного поля. Магнитный поток пронизывает измерительную обмотку и индуцирует в ней ЭДС, пропорциональную действующей силе. Чувствительность преобразователя зависит от материала сердечника.
Для магнитострикционных датчиков силы характерны: малое воздействие на измеряемую величину (вследствие повышенной жесткости), высокая стойкость и надежность (вследствие механической прочности), посредственная линейность, значительная чувствительность к температуре и паразитным магнитным полям, недостаточная стабильность во времени, ограниченность полосы пропускания. Точность магнитострикционных датчиков составляет несколько процентов верхнего предела измерения.
Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на явлении пьезоэлектричества, состоящего в возникновении (или в изменении) электрической поляризации в некоторых анизотропных диэлектриках — природных (кварц, турмалин и т. п.) или искусственных (сульфат лития, синтетический кварц, обработанная керамика и т. п.), когда они деформируются под действием определенно направленной силы. Если расположить пару обкладок на противоположных сторонах пьезоэлектрической пластинки и приложить к пластине силу, то под действием силы на обкладках появятся заряды противоположных знаков и, следовательно, возникнет разность потенциалов, пропорциональная приложенной силе. Такое конденсаторное устройство дает возможность измерять силы и любые физические величины, приводящие к возникновению сил: давление, ускорение, вибрацию. Это конденсаторное устройство представляет собой пьезоэлектрический датчик.
Подвергнутый действию ориентированного электрического поля, пьезоэлектрический материал деформируется; в частности, можно вызвать его возбуждение на своем механическом резонансе. Это свойство пьезоэлектриков используется для управления частотой генерации. Отсюда следует возможность изготовления пьезоэлектрических датчиков, резонанс которых возникает на определенной частоте, чувствительной к изменению различных физических величин (температуры, давления и т. п.).
Часто в датчиках вместо пьезоэлектрических кристаллов используется пьезокерамика, более дешевая и удобная в изготовлении. Наиболее широко применяется семейство керамик, получаемых на основе оксидов свинца, циркония и титана.
Датчики деформаций. В качестве этих датчиков применяют тензорезисторные преобразователи (металлические, проволочные, полупроводниковые и др.). Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения или сжатия. Длина проводника / и площадь поперечного сечения S изменяются при его деформациях. Эти деформации кристаллической решетки приводят к изменению удельного сопротивления проводника р и, следовательно, к изменению полного сопротивления.
Тензорезисторные датчики приклеивают к объекту, и они деформируются вместе с ним. При этом из-за малых размеров (в зависимости от типа от 1 мм до 1 см) такие датчики обеспечивают весьма точные измерения деформаций.
Применение датчиков деформаций не ограничивается определением напряжений. Любые физические величины, особенно механические, действие которых на объект вызывает его деформацию, могут быть преобразованы с помощью измерителей удлинений. Это относится к давлению, ускорению, моменту сил. Датчик деформаций и объект составляют, таким образом, совокупный измеритель воздействующей физической величины.
Обычно датчик состоит из сетки, образованной нитевидными проводниками длиной и/, где / — длина одного нитевидного элемента; и — их количество.
Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 "С, является константан, представляющий собой сплав никеля (45 %) и меди (55 %).
Акселерометры. Эти приборы, представляющие собой измерители ускорения, широко применяются в промышленности при оценке чувствительности изделий к ударам и вибрациям. В последнее время буферные и емкостные преобразователи, использовавшиеся в этих измерителях, заменяют пьезоэлектрическими датчиками. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя представляет собой источник напряжения с последовательно включенным конденсатором, на котором образуется заряд. Выходное переменное напряжение такого датчика, вырабатывающееся под воздействием вибрационного ускорения, обычно имеет очень малую амплитуду. Поэтому для увеличения выходного сигнала склеивают несколько пьезокристаллов. Поскольку значение переменного заряда на конденсаторе очень мало, то такой датчик обычно подключают ко входу усилителя заряда с малым входным током, одновременно преобразующего выходное напряжение датчика в сигнал скорости. Если этот сигнал дополнительно проинтегрировать, а затем продетектировать с высокой точностью, то получаемое напряжение будет пропорционально амплитуде смещения (это напряжение можно проградуировать, например, в миллиметрах перемещения на вольт).
Датчики технологических переменных. Датчики температуры. Выбор типа датчика температуры в основном определяется диапазоном изменения измеряемой температуры и условиями эксплуатации. Для измерения температуры используют термопары, термосопротивления, полупроводниковые датчики и пирометры.
В качестве датчиков температуры часто применяют термопары, поскольку они имеют широкий рабочий диапазон температур и высокую надежность. При измерении температуры с использованием термопары последовательно с измерительным спаем включают компенсационные спаи, позволяющие получить ток определенного направления и максимальную ЭДС измерительного спая. В зависимости от рабочего диапазона температур и среды, в которой находится датчик, применяют различные пары металлов. Для работы в широком диапазоне температур передаточные характеристики датчиков, как правило, недостаточно линейны, поэтому для их линеаризации требуется применять специальные схемы.
Лучшие по сравнению с термопарами разрешение и повторяемость характеристик достигаются в термометрах сопротивления — приборах, использующих эффект изменения электрического сопротивления проводников при изменении температуры. В промышленности часто применяют платиновые термометры, обладающие высокой точностью и механической и электрической стабильностью.
Термисторы — другой тип термометров сопротивления — получают спеканием смесей металлических сплавов, при этом образуется керамика с большим отрицательным температурным коэффициентом. Температурный диапазон металло-пленочных сопротивлений по сравнению с термисторами шире, а линейность выше, однако термисторы имеют примерно в 10 раз большую чувствительность. При проведении измерений температуры такими датчиками обычно требуется преобразовать изменение сопротивления в изменение напряжения и по возможности линеаризовать зависимость выходного напряжения от температуры.
В тех случаях, когда возможно только визуальное наблюдение исследуемого процесса, для измерения температуры применяют оптические пирометры. Диапазон измеряемых температур в этом случае ограничивается диапазоном спектральной чувствительности используемого датчика.
Одним из современных методов измерения температуры является метод, основанный на использовании транзистора со смещением базового перехода в прямом направлении. В диапазоне рабочих температур ±100 °С погрешность измерения этим методом составляет 0,1 °С. В рабочем диапазоне температур этих датчиков проводится наибольшее число измерений температуры. Отрицательный температурный коэффициент падения напряжения на переходе «база—эмиттер» биполярного транзистора равен 2,2 мВ/°С, и при питании от стабилизированного источника тока датчик может быть сделан очень стабильным.
Датчики давления и расходомеры. Раньше для измерения давления и расхода жидкости или газа использовались по-тенциометрические приборы. Низкая стоимость и высокий уровень выходного напряжения обеспечили широкое применение этих приборов в простых системах. Однако им свойственны высокая чувствительность к ударам и вибрациям, а также значительные погрешности, обусловленные механической конструкцией, приводящие к нелинейности передаточных характеристик (обычно примерно 3 %), что ограничивает применение приборов такого типа.
Для устранения недостатков, свойственных потенциометричес-ким датчикам давления, были разработаны бесконтактные тензометры — приборы, обеспечивающие существенное увеличение погрешности и стабильности и имеющие типовую погрешность 0,5 % полной измерительной шкалы. Их уровень выходного напряжения находится в милливольтовом диапазоне, поэтому после прибора обычно ставят предусилитель. В отличие от других бесконтактных приборов полупроводниковые тензометры располагают непосредственно на диафрагме, воспринимающей давление, что устраняет механические соединительные детали. Частотный диапазон, чувствительность к вибрациям и точность этих приборов такие же, как у бесконтактных тензометров. Однако поскольку уровень выходного напряжения в полупроводниковых тензометрах низок, то в этом случае также необходимы предусилители, а низкая чувствительность делает их удобными только для измерений высоких давлений. Дальнейшее улучшение характеристик достигается использованием кристаллических диафрагм с напыленными пьезо-резисторами.
Усовершенствование тензометров связано с компенсацией различных ошибок, что достигается введением пьезорезистора в состав гибридной интегральной схемы. Гибридный прибор содержит встроенный вакуумный эталон, внутренний нагреватель, который, вызывая локальное нагревание (стабилизируя температуру локальной области), уменьшает температурные эффекты, и пье-зорезисторы, включенные в схему чувствительного моста Уитсто-на, служащую одновременно для предварительного усиления н формирования сигнала.
Расход жидкости обычно измеряют датчиками перепада (разности) давления или механическими контактными датчиками (например, турбинами). Скорость потока v характеризует скорость движения жидкости и обычно имеет размерность м/с. Объемный поток Q — объем жидкости, протекающий в единицу времени (например, м3/с). Для газов поток массы М определяют в кг/с.
Дифференциальные манометры (дифманометры) различных систем используют для измерения технологических параметров расхода жидкости, газа или пара, разности давлений (перепада), избыточного давления (напора), разрежения (тяги), уровня жидкости в открытых резервуарах и в резервуарах под давлением. Измерение расхода жидкости или газа дифманометрами-расходо-мерами осуществляется по методу переменного перепада давлений. В этом случае дифманометр-расходомер работает совместно с сужающим устройством, которое устанавливается непосредственно в трубопроводе и служит для создания переменного перепада давления. В качестве сужающего устройства могут применяться диафрагмы, сопла или расходомерные трубы. При измерении расхода жидкости или газа с помощью дифманометров измеряется разность давлений (перепад) до и после сужающего устройства.
Измерение расхода методом переменного перепада можно выполнять при соблюдении следующих условий:
вещество, протекающее через сужающее устройство, должно находиться в одной фазе — жидкой или газообразной;
протекающее вещество должно полностью заполнять сечение трубопровода и сужающего устройства;
изменение расхода вещества должно происходить плавно, без пульсаций;
трубопровод до и после сужающего устройства должен быть на достаточном протяжении прямолинейным и цилиндрическим.
Основным элементом измерителей скорости потока является точечный датчик, например трубка Пито для газовых потоков. Однако точность таких измерителей невысокая. Большую точность имеют многоточечные датчики или датчики с усреднением по линии (такие, как кольцевые датчики). При измерении перепада давления потоков газов низкого давления возможны другие источники ошибок, что может потребовать применения чувствительных датчиков давления на основе трансформаторов линейных перемещений.
К расходомерам с механическим контактом относятся: турбинные и гироскопические преобразователи, которые измеряют скорость потока по угловому моменту; охлаждаемые термоэлектрические преобразователи скорости; датчики, измеряющие скорость по электрическому сопротивлению, а также датчики, измеряющие скорость потока с использованием Р-излучения. Для широко распространенных турбинных расходомеров связь между скоростью потока v и угловой скоростью вращения турбины ш выражается следующим уравнением:
v = (wr)/tgoc, (1.5)
где г — средний радиус лопастей ротора; а — угол между лопастями ротора.
Датчики уровня. Для измерения уровня жидкости и его изменения широко применяются поплавковые датчики, дифференциальные датчики давления, ультразвуковые и радиоактивные.
Поплавковые датчики отличаются простотой и разнообразием методов преобразования изменений измеряемого уровня в показания отсчетного устройства. Однако при измерении уровня вязких жидкостей они работают неудовлетворительно.
В том случае, когда известна плотность жидкости W, высоту столба жидкости можно измерять дифференциальным датчиком давления (дифманометром), который при этом должен фиксировать разность гидростатического давления АР между уровнем поверхности и плоскостью дна. Высота столба жидкости в этом случае определяется отношением AP/JV. По принципу действия измерительной системы дифманометры делятся на поплавковые, кольцевые, колокольные, мембранные и сильфонные.
Ультразвуковые датчики могут входить в состав локационных установок, которые особенно удобны при измерении уровня жидкостей в высоких цистернах, а также в состав устройств, измеряющих дискретные значения уровней. В последнем случае излучатели, расположенные на разных уровнях, посылают ультразвуковые сигналы в горизонтальном направлении в сторону соответствующих приемных датчиков, установленных на противоположной стороне цистерны. Уровень тяжелых смесей, таких, как цемент и бумажная масса, лучше всего измерять радиоактивными датчиками, устанавливаемыми аналогично ультразвуковым устройствам дискретного измерения уровня.
К датчикам технологических переменных относятся также датчики толщины полосового материала (металла, бумаги, пластика и др.), влажности материала, массы и других переменных.