книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

Глава 3

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

§ 3.1. Классификация элементов. Требования к элементам

Элементы регуляторов и устройств управления можно разде­ лить на: чувствительные или измерительные, преобразовательные, усилительные, исполнительные, логические, элементы обратных связей.

Несмотря на различие в назначении перечисленных элементов, к их конструкции предъявляется ряд общих требований:

малый вес и габариты (элементы систем не должны сущест­ венно увеличивать вес и габариты энергетических установок);

надежность работы, в том числе и при условиях, в которых ра­ ботает основное оборудование, т. е. при соответствующих темпе­ ратурах, влажности, вибрациях, ударах и т. п.;

относительная простота устройства, удобство обслуживания; малая инерционность и линейность статических характеристик

(для линейных САР).

Среди всех перечисленных требований наиболее важное значе­

выполнению могут быть подразделены на механические, пневмати­ ческие, гидравлические и электрические.

Вопросам конструкции различных элементов автоматики посвя­ щен ряд монографий и справочников [1, 11, 21 и др.].

§ 3.2. Измерительные (чувствительные), преобразовательные элементы и датчики

Назначение, уравнения динамики и классификация

Назначение измерительных элементов — измерение регулируе­ мых величин с целью передачи сигналов на преобразовательные,

усилительные и исполнительные элементы системы. Поэтому, очень

важно, чтобы такие элементы обеспечивали заданную точность измерения.

Измерительный элемент должен создавать сигнал, достаточный по величине для передачи его на звенья, следующие за измери­ тельным элементом, и должен с наименьшей инерцией реагировать на изменение измеряемой величины.

В ряде случаев перед измерительным элементом ставится за­ дача не измерять регулируемую величину, а лишь выдавать сигнал, свидетельствующий о том, что величина, которую назовем контро­ лируемой, превосходит или не превосходит определенное значение. Такие измерительные элементы принято называть чувствитель­ ными (ЧЭ). В целях упрощения в дальнейшем под чувствительным элементом будет подразумеваться и измерительный элемент.

Одним из основных показателей ЧЭ является его чувствитель­ ность. Чувствительностью К называют отношение изменения вы­ ходной величины элемента Дх2 и входной Ах,:

Величина К может быть получена как тангенс угла наклона статической характеристики ЧЭ к оси абсцисс.

Под чувствительностью элемента понимают также отношение изменения выходной и входной величин в их относительных зна­ чениях:

где х 1ном и х 2110М— выбранные номинальные или базовые значе­ ния входной и выходной величины.

Понятие чувствительности эквивалентно понятию коэффициента усиления ЧЭ.

Статические характеристики реальных ЧЭ, как правило, отли­ чаются от линейных наличием нечувствительности и непрямолинейности, определения которых применительно к статическим харак­ теристикам САР рассматривались в гл. 1.

Одним из важных требований к чувствительным элементам является прямолинейность статической характеристики. Величины, непрямолинейности и нечувствительности должны быть минималь­ ными. Величину чувствительности желательно иметь максимально возможной, так какэто позволяет уменьшить габариты и стои­ мость усилительных механизмов и всей системы.

При анализе конструкций чувствительных элементов должны быть выявлены не только их статические характеристики, но и динамические свойства, влияющие на процесс регулирования на переходных режимах. Как правило, динамика ЧЭ в результате

52

линеаризации нелинейностей описывается дифференциальным уравнением 1-го порядка вида

где Т — постоянная ЧЭ, имеющая размерность времени (сек, мин)\ k — коэффициент усиления.

При ступенчатом изменении х\ на величину Х\ 0 получим

Когда t = T, *2= 0,63 k x 10.

Экспериментальное определение величины Т может быть про­ изведено путем ступенчатого изменения Xi и осциллографирования *2- Отрезок времени от момента начала переходного процесса до момента, когда *2= 0,63 kx\ о, будет равен величине Т.

Динамика чувствительных элементов, основанных на примене­ нии упругих элементов, описывается уравнением 2-го порядка.

Широкое применение в системах автоматики находят датчики, представляющие собой единую конструкцию чувствительного эле­ мента и преобразовательного элемента, преобразующего сигнал чувствительного элемента в электрический выходной сигнал.

По конструктивному устройству датчики делятся на контактные и бесконтактные. В контактных датчиках применяются чувстви­ тельные элементы с механической выходной величиной, в бескон­ тактных — с электрической выходной величиной.

Контактные и бесконтактные датчики могут быть дискретными и непрерывными (пропорциональными). В дискретных датчиках имеются преобразователи релейного типа одностороннего и дву­ стороннего действия. Включение последнего происходит при откло­ нении измеряемой величины от установленного значения в обе стороны. В датчиках непрерывного (пропорционального) действия чувствительный элемент соединен с преобразовательным, на вы­ ходе которого сигнал пропорционален изменению регулируемой величины.

В настоящем параграфе при анализе конструкций датчиков говорится о кон­ струкции контрольно-измерительных приборов (КИП), в качестве основных эле­ ментов которых используются чувствительные и преобразовательные элементы. С помощью таких приборов обслуживающий персонал контролирует работу энер­ гетической установки. Общность задач, стоящих перед КИП и САУ, а также унификация элементов, используемых в приборах и регуляторах, приводят

ктому, что КИП включаются в систему автоматизации энергетической установки.

Всвязи с изложенным рассмотрим классификацию КИП по назначению.

Указывающими называют приборы, которые позволяют производить только отсчет измеряемой величины в данный момент времени. Они включают, помимо чувствительных и преобразовательных элементов, отсчетные приспособления, на­ пример в виде стрелок и шкал. Самопишущие приборы снабжены устройствами для автоматической записи показаний. Сигнализирующие приборы имеют спе­ циальные приспособления для включения звуковой или световой сигнализации, когда измеряемая величина достигнет определенного заданного значения'.

53

К регулирующим относятся приборы, снабженные устройствами для пере­ дачи сигналов в систему автоматического управления.

Кроме того, приборы подразделяются на местные, устанавливаемые непо­ средственно у места измерения; дистанционные, у которых исполнительная часть может быть удалена от места измерения на значительное расстояние; телеметри­ ческие, у которых передача показании на далекие расстояния осуществляется с помощью специальных устройств. Датчики телеметрических приборов, находя­ щиеся у места измерения, принято называть первичными приборами, а приборы, измеряющие величины, передаваемые датчиками, называют вторичными прибо­ рами.

Подробно конструкции КИП излагаются в курсах теплотехнических изме­ рений.

Преобразовательные элементы

Преобразователи перемещений в электрические величины. Пре­ образователи перемещений в электрические величины широко используются в датчиках давления, температуры, уровня и. др. Существует ряд типов преобразовательных элементов.

/ — шток; 2 — трехперая пружина; 3, 5, 7 — контакты; 4 — упор контакта; 6 — корпус

Простейшим по устройству преобразовательным элементом дат­ чиков дискретного типа является электрический контакт. Замы­

54

На рис. 3.4 представлена схема включения переменного сопро­ тивления R x в одно из плеч неравновесного моста. Если соотноше-

R R

ние сопротивлений в плечах моста т^—тг, то ток в Диагонали bd

будет, отсутствовать. При изменении величины R i в диагонали bd появится ток, величина которого будет пропорциональна измене­ нию сопротивления Ri. Если Ri достаточно велико, то и напряже­ ние на клеммах bd будет пропорционально изменению R ь

В равновесных мостовых схемах изменение переменного сопро­ тивления R 1 компенсируется изменением сопротивления R2 в дру­

55

гом плече моста таким образом, чтобы ток в диагонали моста был равен нулю.

В индуктивных преобразовательных элементах (рис. 3.5) пере­ мещение сердечника приводит к изменению реактивного сопротив­ ления катушки вследствие изменения ее индуктивности.

Индуктивность катушки определяется по формуле

r 7 T t Окончательно

где S — площадь сечения магнитопровода, см2\ б — величина зазора, см.

Так как индуктивное сопротивление катушки L значительно больше, чем ее активное сопротивление, то

/ = 4 и / = / г "8’

где k n— статический коэффициент передачи,

т. е. сила тока пропорциональна величине воздушного зазора.

Емкостные преобразовательные элементы (рис. 3.6) служат для изменения емкостного сопротивления в электрической цепи. Емкость плоского конденсатора

С = тг8 [см],

где е — диэлектрическая постоянная; 5 — площадь пластин, см2\

6 — расстояние между конденсаторами, см.

Величину С можно изменять путем изменения не только б, но и S, а в емкостных датчиках уровня — путем изменения е.

56

Преимуществом индуктивных и емкостных преобразователей перед омическими является их высокая чувствительность к малым перемещениям и отсутствие контактов. Недостаток этих преобра­ зовательных элементов — необходимость усилителей с большими коэффициентами усиления.

Преобразователи электрических величин в перемещение. Элек­ трические величины преобразуются в перемещение с помощью магнитоэлектрических, электромагнитных и электродинамических

быть непосредственно подключен к термопарам, э. д. с. на выходе которых измеряется милливольтами, а также может быть исполь­ зован с реостатными датчиками. На рис. 3.7,6 показана схема включения механизма в диагональ неравновесного моста. Измене­ ние сопротивления Ri приводит к изменению тока в диагонали и к изменению поворота катушки с током. Недостатком этой схемы измерения является чувствительность ее к нестабильности напря­ жения.

На рис. 3.8, а представлена схема, а на рис. 3.8, б — электри­ ческая схема соединений другого магнитоэлектрического меха­ низма— логометра. Логометр состоит из неподвижного магнита

идвух подвижных рамок с током, расположенных под углом друг

кдругу. Зазор между рамками и железом магнита в случае вра­ щения рамок изменяется. Таким образом, каждому положению

рамок соответствуют определенные значения индуктивностей Bi и В2 магнитных полей рамок.

57

Направление, создаваемое моментами вращения Му и М2, ко­ торые возникают вследствие взаимодействия вращающихся маг­ нитных полей рамок и-поля постоянного магнита, противоположны. Величины моментов.

М х = kByiy и М 2 = kBoi2,

где iy и 1*2— токи в рамках.

При М уфМ 2 рамки с током вращаются. Очевидно, что устой­ чивое положение будет при условии Му—М2.

В соответствии со схемой включения рамок логометра в диаго­ наль неравновесного моста при изменении сопротивления Ry будут перераспределяться токи iy и i2 в рамках. Это приведет к изме­ нению моментов вращения Му и М2 и к повороту рамок до тех

каждому значению сопротивления Ry соответствует определенное значение утла а.

Достоинством схемы является ее малая зависимость от неста­ бильности напряжения (до 30—40%), так как соотношение токов

для питания электромагнитных приборов, так как изменение на­ правления тока хотя и меняет направление магнитного поля, но одновременно и перемагничивает якорь.

На рис. 3.10 представлена схема э л е к т р о д и н а м и ч е с к о г о

58

Чувствительные элементы и датчики давления (разрежения). Системы регулирования давления (пара, воздуха, масла) зани­ мают важное место в автоматизации энергетических установок, поэтому чувствительные элементы' и датчики давления имеют ши­ рокое распространение.

упругие чувствительные элементы: манометрические и геликоидаль­

рической пружине, под действием давления, подаваемого внутрь трубки, происходит разворот подвижного конца трубки. Чувстви­ тельность такого измерительного элемента выше, чем манометри­ ческой пружины. :

М е м б р а н о й называется гибкая, закрепленная по периметру перегородка, преобразующая изменение давления (рис. 3.13, а)

59