ЦЕНТРОБЕЖНОГО ДАТЧИКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

 

 

В переходных режимах, вызванных изменением любого из двух входных сигналов датчика - частоты вращения w и задания y частоты ручкой 1 (рис.10.1), - все элементы датчика приходят в движение. К поддерживающей Р и восстанавливающей V силам добавляются силы инерции и трения. Но в любой момент времени соблюдается равенство сил

                          (11.1)

где P = m _Г r w ² - поддерживающая сила согласно (10.1);

V = c y + cz - восстанавливающая сила согласно (10.2);

 - инерционная сила, где m _Э - эквивалентная масса всех движущихся деталей датчика, приведенная к его муфте;

 - сила гидравлического трения, возникающая между соприкасающимися смазанными поверхностями и пропорциональная скорости dz / dt взаимного перемещения поверхностей и коэффициенту q гидравлического трения.

Уравнение (11.1) нелинейное, так как нелинейно выражение m _Г r w ². Линеаризуем уравнение с учётом следующих начальных условий P ₀ = m _Г r ₀ w ₀ ² , V ₀ = c y ₀ + cz ₀ :

                (11.2)

где D - оператор линеаризации - малого изменения выражения, заключенного в скобку после оператора.

Выполняем преобразования

(11.3)

где Dw = w - w ₀ , Dy = y - y ₀ , D z = z - z ₀ - отклонения сигналов от их начальных значений.

После введения обозначение производной символом р из (11.3) следует

  (11.4)

Введём обозначение фактора устойчивости центробежного датчика

                                  (11.5)

значение которого совпадает с выражением (10.3), если в него подставить частные производные от сил P и V.

Делим обе части уравнения (11.4) на F _Ц и получаем окончательно уравнение динамики датчика

                             (11.6)

где  - инерционная постоянная времени датчика;

 - постоянная времени гидравлического трения;

 - коэффициент передачи датчика по измеряемому сигналу;

 - коэффициент передачи датчика по сигналу задания.

Выходной сигнал определяется через входные сигналы согласно (11.6) выражением

  (11.7)

где W _w ( p ) и W _y ( p ) - передаточные функции по входам Dw и Dy.

Структурная схема датчика как звена САУ в соответствии с (11.7) приведена на рис.11.1. По обоим входным сигналам датчик представляет собой динамическое звено 2-го порядка. Звено будет устойчивым, если Т_Г>0 (в этом случае действительные части корней характеристического уравнения будут отрицательными). Знак Т_Г зависит от знака фактора устойчивости F _Ц, который, как следует из изложенного, должен быть положительным, что полностью совпадает с выводом (10.3).

От соотношения постоянных времени Т_Д и Т_Г зависит вид переходного процесса. Если корни характеристического уравнения комплексные, что возможно при Т_Г<2Т_Д ( дискриминант характеристического уравнения отрицательный), то переходный процесс колебательный затухающий. При Т_Г ³ 2Т_Д переходный процесс апериодический, содержит только экспоненты. Очевидно, что для практики более приемлем процесс апериодический. Как следует из изложенного, этого можно достичь увеличением коэффициента q гидравлического трения, которому прямо пропорциональна постоянная времени Т_Г. Для увеличения Т_Г к муфте датчика присоединяют катаракт (рис.11.2). Цилиндр катаракта заполнен маслом.

Внутри цилиндра движется поршень, который перегоняет масло из одной полости цилиндра в другую по обводной линии. На этой линии установлен дроссель - сужение с регулируемым сечением. Перетекание масла при движении поршня происходит под действием силы, пропорциональной скорости движения поршня, т.е. катаракт создаёт гидравлическое сопротивление перемещению муфты датчика.

 

 

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

 

 

Датчики давления (манометры) могут быть механическими и электрическими. К механическим датчикам относятся поршневые (рис.12.1), мембранные (рис.12.2а), сильфонные (рис. 12.2б), трубчатые пружинные (рис.12.3), колокольные (рис. 12.4) и др. Выбор типа датчика зависит от величины измеряемого давления, заданной точности и условий эксплуатации датчика.

В поршневом манометре выходным сигналом служит перемещение поршня 2. Под действием давления р, подводимого в цилиндр 1, пружина 3 сжимается силой F × р, где F - площадь поршня. Перемещение поршня D z связано с давлением р соотношением

с × D z = F × р,                                       (12.1)

где с - жесткость пружины 3.

Для измерения перепада давления к поршню подводятся два сигнала давления р и p '. Датчик в таком случае называется дифференциальным манометром, коротко - дифманометром.

Применение такого датчика возможно в тех случаях, когда вещество, давление которого измеряют, имеет хорошие смазочные свойства. Достоинством датчика является большая величина перемещения выходного штока и большая величина силы на штоке, что практически не требует усиления выходного сигнала.

При измерении давления газовых, агрессивных средах, а также в средах, не обладающих смазочной способностью, применяют мембранный, сильфонный и пружинный манометры.

В мембранных манометрах применяются мембраны 2 из латуни, стали, резины, прорезиненной ткани и др. материалов. Для повышения чувствительности манометра и увеличения перемещения выходного штока 4 применяют гофрированные мембраны. Гофры 3 имеют синусоидальную, треугольную, трапециевидную формы. Величина прогиба d мембраны связана с давлением р нелинейной зависимостью

p = E × [ A × ( z / d ₀ )+ B × ( z / d ₀ )²+ C × ( z / d ₀ )³],                     (12.2)

где Е - модуль упругости материала мембраны;

А, В, С - безразмерные коэффициенты, являющиеся функциями толщины d ₀ мембраны, её радиуса R, вида, глубины и числа гофров.

Для измерения перепада давления по обе стороны мембраны подводятся два сигнала давления р и p'.

Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины 5 и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Основными недостатками мембранных манометров являются малые величины перемещения выходного штока и нелинейная зависимость перемещения d от давления p. Усилие на выходном штоке достаточно велико и пропорционально площади мембраны.

В сильфонах подводимое давление р действует на основания 1 и 1' площадью F каждое. За счет гофров 2 основания расходятся и перемещают шток 3. За счет большой длины гофрированной поверхности перемещение выходного штока у сильфона значительно больше, чем у мембранного манометра и, следовательно, выше чувствительность. Габариты сильфона небольшие, что позволяет его встраивать непосредственно в регуляторы давления. Для измерения перепада давления вовнутрь сильфона подводится давление р, а снаружи – давление p '.

Манометр с трубчатой пружиной содержит трубку эллиптического сечения, которая свернута по дуге окружности.

При давлении р₁ трубка имеет размер d ₁, внутренний и наружный радиусы пружины равны r ₁ и R ₁, длины трубки по указанным радиусам равны L и l. Точка А располагается относительно неподвижной точки В так, как показано на рис.12.3а.

При давлении р₂, которое больше р₁, размер d трубки увеличится до d ₂ (в пределе, при бесконечно большом давлении трубка в сечении примет форму круга). Тогда при постоянстве размеров L и l трубки внутренний и наружный радиусы пружины увеличатся до r ₂ и R ₂. Точка А удалится от неподвижной точки В так, как показано на рис.12.3б.

По схеме трубчатого манометра выполнены подавляющее число показывающих манометров. Точка А имеет передачу на стрелку прибора. На манометр устанавливают также группы контактов, которые замыкаются и размыкаются стрелкой манометра. Для измерения перепада давления этот тип манометра не применяется. Трубчатый манометр имеет наивысшее быстродействие.

Для увеличения перемещения точки А при изменении давления р пружину манометра выполняют многовитковой, которая называется геликоидальной. Манометры с геликоидальной пружиной используются в регуляторах давления.

Для измерения малых величин давления и перепада давления применяют колокольные манометры (рис.12.4).

Действие манометра основано на зависимости погружения h колокола 1 в рабочую жидкость 2 от перепада давления D p = p ₁ - p ₂ по разные стороны колокола. Между изменением уровня D h и перепадом давления D p связь линейная

D h=с × D p                                               (12.3)

Как звенья автоматики все рассмотренные манометры имеют передаточную функцию вида

                                 (12.4)

Постоянные времени Т₁ и Т₂ для поршневого, мембранного, сильфонного и колокольного манометров равны: T ₁ =0,3...1,4 c, T ₂ =0,1...0,6 c, а для пружинного - T ₁ =0,1...5 м c, T ₂ =8...32 м c.

Электрические датчики давления выполняются на основе материалов, обладающих свойствами пьезоэффекта (образовании электрических зарядов на поверхности пластинки из некоторых кристаллов при её сжатии) и магнитострикции (зависимости магнитной проницаемости ферромагнетиков от степени сжатия магнитопровода).

 

 

ДАТЧИКИ УРОВНЯ

 

 

Датчики уровня или уровнемеры подразделяются на механические (поплавковые, мембранные), пьезометрические, электрические, акустические и др.

В простом поплавковом уровнемере (рис.13.1а) перемещение плавающего на поверхности жидкости поплавка передается грузу, на котором укреплена стрелка, указывающая на шкалу.

Выходным сигналом является перемещение груза, которое изменяется в тех же пределах, что и перемещение поплавка. Этот тип уровнемера удобен для визуального наблюдения за уровнем, а в САУ не используется из-за большого перемещения груза.

В уровнемере с длинным цилиндрическим поплавком, подвешенном на пружине (рис.13.1б.в), при большом изменении уровня перемещение поплавка невелико. Пусть при уровне Н₀ и длине погруженной части l ₀ пружина с жесткостью с не была деформирована (рис.13.1в). Уравнение сил, действующих на поплавок, будет следующим

G - Sl ₀ g =0,                                      (13.1)

где G и S - вес и площадь поперечного сечения поплавка, l ₀ - длина поплавка, погруженной в жидкость g - удельный вес жидкости, G - Sl ₀ g - архимедова сила.

Для произвольного уровня Н (рис.13.1б) условие равновесия поплавка с учётом архимедовой силы имеет вид

G - Sl g + c ( y ₀ - y )=0.                          (13.2)

Выразив из (13.1) величину G и подставив её в (13.2), получим

S g ( l - l ₀ ) = c ( y ₀ - y ).                                (13.3)

Из чертежей на рис.13.1б,в следует соотношение

H - l + L + y = H₀ - l₀ + L + y₀, откуда (l - l₀ )= (H-H₀) - (y₀ - y) (13.4)

Подставляем значение ( l - l ₀ ) из (13.4) в выражение (13.3). После преобразований получим

    или                  (13.5)

Из выражения (13.5) видно, что за счет подвески поплавка на пружине перемещение поплавка (у₀-у) меньше величины изменения уровня (Н₀-Н).

Мембранный датчик уровня приведён на рис.13.3. Над мембраной давление равно давлению над жидкостью. Давление под мембраной равно давлению, которое имеется над жидкостью плюс давление, которое создается столбом жидкости. Датчиком измеряется перепад давлений, пропорциональный уровню жидкости в сосуде.

Пьезометрический уровнемер содержит (рис.13.4) регулятор давления 3, контрольный прозрачный сосуд 1, манометр 2. Редуктором создается такое давление воздуха, при котором в баке 4 только-только исчезают пузырьки. При этом давление воздуха будет прямо пропорционально уровню жидкости в сосуде 4. Контроль за практическим прекращением движения воздуха в баке (который, как правило, закрыт) ведут по моменту редкого прохождения пузырьков в контрольном сосуде 1.

Основные типы электрических уровнемеров - кондуктометрические (омиче-ские) и емкостные (рис. 13.5). В кондуктомериче-ском уровнемере (рис.13.5а) используются 2 и более электродов, погружаемых в электропроводящую жидкость, например, электроды верхнего ВУ и нижнего НУ уровней. К схеме подводится переменное напряжение U. Покрытие электрода жидкостью контролируется приборами, например, амперметрами А1 и А2.

Емкостной уровнемер (рис.13.5б) содержит две пластины или концентрические цилиндры, погруженные в неэлектропроводящую жидкость. Если жидкость электропроводна, то пластины покрываются изолирующей пленкой. Пластины служат обкладками конденсатора, а жидкость - средой, влияющей на емкость конденсатора. Емкость конденсатора, измеряемая прибором ИЕ, равна

C =[( e _ж - 1) H + L ] e ₀ S ,                                 (13.6)

где e _ж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;

e ₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Действие акустического уровнемера (рис.13.6) основано на измерении времени D t прохождения звукового импульса от излучателя И до поверхности жидкости и обратно до приёмника П. Отражение от поверхности раздела воздуха и жидкости происходит из-за резкого различия их акустического сопротивления. Обычно применяют ультразвук.

Время прохождения звука равно

                               (13.7)

где V _зв - скорость звука в жидкости.

По измеренному времени D t из (13.7) находят уровень Н.

 

 

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 428; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!