- •Технические средства автоматизации
- •Технические средства автоматизации
- •Содержание
- •Введение
- •В.1. Роль и место курса “Технические средства автоматизации” в учебном процессе
- •В.2. Основные направления развития технических средств автоматизации
- •1. Технические средства автоматизации
- •1.1 Основные принципы построения тса
- •1.2 Классификация приборов и устройств тса
- •1.3 Стандартизация сигналов гсп
- •1.4 Агрегатные комплексы гсп.
- •1.5 Структура систем управления
- •2. Электрические и электронные средства автоматизации
- •2.1. Датчики и измерительные преобразователи для измерения температуры
- •2.1.1 Термоэлектрические преобразователи (Термопары)
- •2.1.2 Термопреобразователи сопротивлений
- •2.1.3. Измерительные (нормирующие) преобразователи
- •2.1.4. Датчики-реле температуры
- •2.2. Датчики перемещения
- •2.2.1. Реостатные датчики
- •2.2.2. Тензодатчики
- •2.2.3 Электромагнитные датчики
- •2.2.4 Емкостные датчики
- •2.2.5 Фотодатчики линейных и угловых перемещений
- •2.2.6. Магнитомодуляционные преобразователи
- •2.3. Приборы для измерения давления
- •2.4. Приборы для измерения и контроля расхода
- •2.5. Приборы для измерения состава веществ
- •2.6. Приборы для измерения и контроля массы
- •2.7. Приборы для измерения и контроля уровня
- •2.8. Электрические датчики-реле
- •3. Электрические исполнительные механизмы
- •3.1. Электромагнитные исполнительные механизмы
- •3.2. Электродвигательные исполнительные механизмы
- •3.3. Пусковые устройства
- •3.4. Вспомогательные устройства
- •3.5. Характеристики исполнительного механизма постоянной скорости
- •4. Регуляторы
- •4.1. Регуляторы прямого действия
- •4.2. Двухпозиционные регуляторы
- •4.2.1. Процесс регулирования в системе с двухпозиционным регулятором
- •4.2.2. Характеристики систем с двухпозиционными регуляторами для различных типов объектов
- •4.3 Аналоговые регуляторы
- •4.3.1 Аналоговый пропорциональный регулятор
- •4.3.2. Аналоговый интегральный регулятор
- •4.3.4. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
- •4.4. Аппаратная реализация функциональных узлов регуляторов
- •4.4.1. Магнитные усилители
- •4.4.2. Модуляторы, усилители, демодуляторы
- •4.4.3. Дифференциаторы и интеграторы
- •4.5. Регуляторы с исполнительным механизмом постоянной скорости
- •4.5.1. Пропорциональный регулятор
- •4.5.2. Пропорционально-интегральный регулятор
- •4.5.3. Формирование импульсного пид_закона регулирования
- •4.6. Агрегатные комплексы средств автоматизации
- •4.6.1. Функциональный состав агрегатных комплексов
- •4.6.2. Особенности реализации функциональных элементов в ак “Каскад-2”
- •4.6.3. Регулятор р-17
- •4.6.4. Регулятор р-27
- •4.7. Цифровые системы управления и регулирования
- •4.7.1. Принципы организации эвм
- •4.7.2. Цикл выполнения команд в эвм
- •4.7.3. Общие принципы организации ввода-вывода
- •4.7.4. Программный режим ввода-вывода
- •4.7.5. Обмен информацией в режиме прерывания программы
- •4.7.6. Прямой доступ к памяти
- •4.7.7. Подключение внешних устройств
- •5. Запорная и регулирующая арматура
- •П осле изучения главы необходимо знать
- •5. Запорная и регулирующая арматура
- •6. Гидравлические и пневматические средства автоматизации
- •6.1 Рабочие жидкости и газы
- •6.2 Элементы пневматических и гидравлических систем
- •6.2.1 Гидравлические и пневматические сопротивления
- •6.2.3 Гидравлические и пневматические емкости
- •6.2.4 Гидро(пневмо)механические преобразователи
- •6.2.5 Механогидравлические преобразователи
- •6.3. Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы
- •6.4 Механогидравлические и механопневматические усилители
- •6.5. Гидравлические и пневматические корректирующие устройства
- •6.6. Электромеханические преобразователи
- •6.7. Примеры реализации пневморегуляторов.
- •Заключение
- •Список использованных источников
2.1. Датчики и измерительные преобразователи для измерения температуры
Для измерения температуры широко используются термометры сопротивления (термосопротивления), термоэлектрические преобразователи (термопары) и датчики-реле температуры.
2.1.1 Термоэлектрические преобразователи (Термопары)
Термоэлектрические преобразователи (ТП) с металлическими электродами предназначены для измерения температуры в комплекте с милливольтметрами, автоматическими потенциометрами, измерительными преобразователями и устройствами связи с объектами ЭВМ.
Термоэлектрические преобразователи или термопары (ТП) относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на появлении термоэлектродвижущей силы в электрической цепи составленной из двух разнородных металлических проводников спаянных с одного конца. ТермоЭДС возникает за счет появления контактной разницы потенциалов между двумя спаянными электродами из разных металлов. При этом один электрод приобретает положительный потенциал, другой – отрицательный. Контактная разность потенциалов вызвана разной энергией свободных электронов в них и зависит от температуры. Возникающая термоЭДС почти пропорциональна разности температур места спая и свободных, неспаянных концов. ТермоЭДС основных материалов при температуре спая и холодных концов равных соответственно 100 и 00С для термопар в паре с платиной (относительно платины) приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Величина термоЭДС основных материалов
Материал |
ТермоЭДС, мВ |
Материал |
ТермоЭДС, мВ |
Платина |
0 |
Платинородий (10% Ro) |
+0.64 |
Кремний |
+44.8 |
Вольфрам |
+0.8 |
Хромель |
+2.95 |
Молибден |
+1.3 |
Железо |
+1.8 |
Алюмель |
-1.15 |
Медь |
+0.76 |
Копель |
-4.0 |
Термопара, составленная из другой пары материалов, будет иметь термоЭДС равную разности термоЭДС материалов относительно платины. Например: термоЭДС пары хромель-копель равна 2.95-(-4.0)=6.95.
Чувствительный элемент промышленной термопары представляет собой 2 электрода из разных металлов или сплавов, сваренные между собой на рабочем конце в термопару и изолированных по длине. В качестве изолятора используется асбест (до 3000С), кварц (до 10000С), фарфор (до 14000С). . Изолированный чувствительный элемент помещается в защитную арматуру, выполненную из стали, кварца или фарфора. Рабочий спай может быть изолирован или соединен с защитной арматурой. При нагревании рабочего спая между свободными концами возникает термоЭДС.
Свободные концы с помощью термоэлектрических проводов через колодку зажимов подсоединяются к вторичному прибору или преобразователю.
Номинальные статические характеристики ТП представляют зависимость термоЭДС от температуры рабочего спая. При этом температура свободных концов принята равной 00С. Статическая характеристика близка к линейной. Инерционность термопары зависит от ее конструктивного исполнения (материала, размеров и формы защитной арматуры) и особенностей процессов теплообмена между термопарой и средой, температура которой измеряется. При выборе термопары необходимо учитывать область ее применения, длину монтажной части и инерционность. При измерениях внутри трубопровода с толщиной менее 50мм. необходимо устанавливать расширитель для установки в него термопары. В большинстве случаев термопару можно рассматривать как объект первого порядка без запаздывания. Типы и характеристики термопар приведены в таблице 2.2. Материал положительного электрода указан первым.
Таблица 2.2. Типы и характеристики термопар
Типы термопар |
Материал |
Рабочая температура, 0С |
Крутизна преобразования, мв/0C |
Инерцонность, с |
ТПР, ПР(В) |
платинородиевый сплав - платинородиевый сплав |
до 1600 |
≈0.01 |
5-180 |
ТВР, ВР(А) |
сплавы: вольфрам-рейний, вольфрам-рейний |
0 - 2200 |
≈0.014 |
5-180 |
ТХА, ХА(К) |
хромель - алюмель |
(-200)- (1000) |
≈0.04 |
5-180 |
ТХК, ХК(L) |
хромель -копель |
(-200) -(+600) |
≈0.07 |
20-30 |
TMK, MK(M) |
медь –никель |
(-200) -(+100) |
≈0.09 |
20-30 |
Состав некоторых распространенных сплавов для электродов:
хромель- 89% никеля, 9.8% хрома,1% железа, 0.2% марганца;
алюмель - 94% никеля, 2.5% марганца, 2% алюминия,1% кремния и 0.5%марганца;
копель - 55% меди, 45% никеля;
платинородий – сплав платины и родия в соотношениях 70%Pt и 30%Rh или 94%Pt и 6%Rh.
При подключении ТП к измерительным приборам различными проводниками возникают дополнительные источники термоЭДС, вызванные вносимыми контактными разностями потенциалов проводников. Для устранения этого эффекта подключение ТП к измерительным приборам и вторичным преобразователям осуществляется термоэлектрическими проводами, материал которых подбирается так, чтобы не вносить дополнительные термоЭДС. Материал жил проводов связан с типом термопары в соответствии с таблицей 2.3.
Таблица 2.3. Материал термоэлектрических проводов
Термопара |
Положительная жила |
Отрицательная жила |
Обозначение |
медь-копель |
медь |
копель |
МК |
хромель-алюмель |
медь |
константал |
М |
хромель-копель |
хромель |
копель |
ХК |
платина-платинородий |
медь |
сплав ТП |
П |
Марки и характеристики некоторых проводов представлены в таблице 2.4.
При заказе термоэлектродных проводов в маркировке указывается марка провода, определяющая его конструкцию, изоляцию и условия проклаки, число жил, знак "х", сечение жил в мм2 и материал жил. Например: ПТВ2х2,5М. Термоэлектрические провода имеют цветную маркировку. Так провода типа М имеют оплетку с красно-белыми нитями, а провода типа ХК имеют фиолетово-желтый цвет.
Наряду с ТП выпускаются кабельные термопреобразователи, изготовленные из термопарного кабеля КТСМ-ХА(ХК) с хромель-алюмелиевыми или хромель-копелиевыми электродами, с минеральной изоляцией и стальной оболочкой. Со стороны рабочего торца электроды сварены лазерной сваркой и заглушены стальной пробкой. Наружний диаметр преобразователей от 1 до 6 мм. Монтажная длина – заказывается любая. Рабочая температура – для преобразователя КТХА от (–200) до 1200 0С и для КТХК - от (-200) до 6000С.
Так как температура свободных концов термопары отличается от номинальной, в показания приборов необходимо вносить поправку. При термостатировании свободных концов термопары поправка постоянна. Поправку вносят или расчетным путем или введением в измерительную цепь компенсирующего напряжения. В милливольтметрах, автоматических потенциометрах и измерительных преобразователях компенсация обеспечивается автоматически, т.е. предусмотрена схемой (конструкцией) прибора.
При измерения температуры с использованием термоэлектрических термометров - термопар используются схемы с прямым усилением сигнала термопары, а также применяются измерительные преобразователи, работающие по компенсационному принципу.
Таблица 2.4. Марки термоэлектрических проводов
Марка |
Характеристика провода |
Условия применения |
Сечение мм2 |
ПТВ |
термоэлектродный с поливинилхлоридной изоляцией |
прокладка в помещениях, трубах, внутри приборов при температуре (-40)-(+70) 0С |
2.5 |
ПТГВ |
та же, но гибкий |
те же, но повышенная гибкость |
1.0, 2.5 |
САК-Х |
термоэлектродный, нагревостойкий со стеклоасбестовой изоляцией и жилой из сплава хромель-Т |
для подключения ТП при температуре (-60)-(+450) 0С. Число жил -1.
|
0.5, 2.5 |
САК-А |
та же, но с жилой из сплава алюмель |
те же |
0.5, 2.5 |
ПТП |
термоэлектродный с изоляцией из полиэтилен- терефталатной пленки с общей оплеткой из лавсана |
для прокладки в помещениях и внутри приборов при температуре (-60)-(+120) 0С
|
1.5, 1.8, 2.5 |
ПТПЭ |
та же, но экранированный |
те же |
0.5-4 |
При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя в нагрузочном сопротивлении RН установится такой ток, при котором падение напряжения на сопротивлении R1 будет с большой степенью точности равно ЭДС термопары. Ток в цепи измерительного прибора будет пропорционален термоЭДС и, следовательно, температуре спая.
В о входных цепях некоторых нормирующих преобразователей и регуляторов используются мостовые схемы для компенсации температуры холодных спаев и ввода сигнала задания. В одно из плеч разбалансированного моста включается переменное сопротивление (задатчик), а в другое – проволочное термосопротивление, как показано на рисунке 2.2. При этом термопара подключается к диагонали моста так, что ее ЭДС вычитается из сигнала разбаланса моста и поступает на усилитель. Таким образом, на усилитель подается сигнал ошибки. При изменении температуры холодного спая (температуры места подключения термопары) величина термосопротивления изменяется, что приводит к изменению разбаланса моста. Напряжение разбаланса моста вызванное термосопротивлением компенсирует изменение величины термоЭДС термопары при изменении температуры внешней среды.
Ч асть такой мостовой схемы иногда выполняется в виде внешнего устройства называемого коробкой холодных спаев (КХС). Внутренняя схема КХС, используемого с регулятором РП2-Т и схема ее подключения к входным цепям регулятора представлена на рисунке 2.3. Коробка имеет два канала, в каждом из которых можно включить последовательно 2 термопары, одна из которых малоинерционная. Сигнал термопар поступает на усилитель постоянного тока с малым дрейфом нуля. Обычно используется или магнитный усилитель или электронный, собранный по схеме: модулятор, усилитель, демодулятор. В последнее время стали использоваться операционные усилители с малым дрейфом нуля.
Для измерения ЭДС термопар в автоматических потенциометрах используется компенсационный принцип измерения. Принцип действия автоматического потенциометра с ТП виден из рисунка 2.4.