АВТОМАТИЗАЦИЯТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ

С Р Е Д Н Е Е ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

РекомендованоФедеральным государственным учреждением«Федеральный институт развития образования»в качестве учебника для использования в учебном процессеобразовательных учреждений, реализующих программысреднего профессионального образования

Регистрационный номер рецензии 494от 02 июля 2009 г. ФГУ «ФИРО»

3�е издание, стереотипное

Л. И. СЕЛЕВЦОВ, А. Л. СЕЛЕВЦОВ

УЧЕБНИК

УДК 658.562.3(075.32)ББК 30.6я723

C29

© Селевцов Л.И., Селевцов А.Л., 2012, с исправлениями© Образовательно-издательский центр «Академия», 2012© Оформление. Издательский центр «Академия», 2012

Р е ц е н з е н т ы:преподаватель общетехнических дисциплин Московского пищевого

колледжа № 33 О. Н. Белялова;кандидат технических наук, председатель технического совета ОАОкомпании «Юнимилк» Санкт-Петербургского молочного комбината

В. Ф. Поляков

Оригинал-макет данного издания является собственностьюИздательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом

без согласия правообладателя запрещается

ISBN 978-5-4468-0615-7

УДК 658.562.3(075.32)ББК 30.6я723

Селевцов Л.И.Автоматизация технологических процессов : учебник для

студ. учреждений сред. проф. образования / Л. И. Селевцов,А. Л. Селевцов. — 3-е изд., стер. — М. : Издательский центр«Академия», 2014. — 352 с.

ISBN 978-5-4468-0615-7Рассмотрены методы контроля технологических параметров, устройство

контрольно-измерительных приборов, свойства объектов управления и эле-менты автоматического управления технологическими процессами в пище-вом производстве, конструкция и принцип действия технических средствсистем автоматического управления, а также их монтаж. Приведены пра-вила выполнения схем автоматизации для вспомогательных и основных тех-нологических производств в пищевой промышленности.

Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональ-ной дисциплины ОП.05. «Автоматизация технологических процессов» всоответствии с ФГОС СПО для специальности 260103 «Технология хлеба,кондитерских и макаронных изделий».

Для студентов образовательных учреждений среднего профессиональ-ного образования.

С29

3

Введение

Автоматикой называется отрасль науки, изучающая теориюи принципы построения систем управления производственнымипроцессами, действующих без непосредственного участия чело-века. Как область науки, автоматизация возникла на базе теорииавтоматического регулирования, основы которой были заложеныв работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышеградского (1872 —1878), А. Стодолы (1898) и др. В самостоятельную научно-техниче-скую дисциплину оформилась в 1940-х гг.

Автоматизация производства — это процесс в развитии ма-шинного производства, при котором функции контроля и управле-ния, ранее выполнявшиеся человеком, передаются техническим уст-ройствам (средствам и приборам автоматизации).

К первым автоматическим устройствам относятся автоматиче-ский регулятор уровня воды в паровом котле, изобретенный в 1765 г.русским механиком Н. И. Ползуновым, и регулятор частоты враще-ния кривошипа в паровой машине английского механика Дж. Уат-та (1784).

Цели автоматизации производства следующие: сокращение чис-ленности обслуживающего персонала, иногда при снижении уров-ня его квалификации; повышение качества продукции; снижениерасходов сырья и различных видов энергии; сокращение отходовпроизводства; повышение ритмичности производства; повышениепроизводительности труда; увеличение объема выпускаемой про-дукции; улучшение труда обслуживающего персонала и устранениевредных факторов, влияющих на здоровье работников; улучшениеэкологии производства. Достижение этих целей ведет к повышениюэкономической эффективности производства, однако две после-дних цели могут быть затратными.

По степени контроля и управления производством технически-ми средствами можно выделить такие уровни автоматизации.

Частичная автоматизация (локальная) — автоматизация от-дельных аппаратов, машин, технологических операций. Проводит-ся, когда управление процессами, вследствие их сложности или ско-

4

ротечности, практически не доступно человеку (оператору). Приэтом учитывается экономическая эффективность внедрения про-стых автоматических устройств и требования техники безопасно-сти и экологии. Частично автоматизируется, как правило, действу-ющее оборудование. Современное оборудование, требующее авто-матизации, выпускается обычно уже автоматизированным. К час-тичной автоматизации относится также автоматизация управлен-ческих работ. Локальная автоматизация широко применяется напредприятиях пищевой промышленности.

Комплексная автоматизация предусматривает автоматиза-цию технологического участка, цеха или предприятия функцио-нирующих как единый, автоматизированный комплекс, напримерэлектростанции. Комплексная автоматизация предприятия охваты-вает все производственные функции соответствующей структурыпредприятия. Она целесообразна при относительно стандартной покачеству, легко транспортирующейся продукции, применении на-дежного, безотказного оборудования.

Отдельно в рамках комплексной системы автоматизации предпри-ятия можно рассматривать комплексную автоматизацию управленияпредприятием, под которой следует понимать комплексную системуавтоматизации управления финансово-хозяйственной деятельнос-тью предприятия, обеспечивающую принятие обоснованных управ-ленческих решений на основе качественной и достоверной инфор-мации, получаемой с помощью современных управленческих и ин-формационных технологий. Она обеспечивает ведение оперативно-го, бухгалтерского и управленческого учета и строится на основеединого информационного пространства, охватывая и координируявсю совокупность управленческих процессов предприятия.

Комплексной автоматизации на современном уровне развитиятехники подвергаются предприятия молочной, пивоваренной, спир-товой, крахмалопаточной, сахарной, дрожжевой и других отраслейпищевой промышленности, из которых наиболее сложной для ком-плексной автоматизации является мясная отрасль из-за нестандарт-ности сырья и сложности его транспортирования.

Полная автоматизация — высшая ступень автоматизации, прикоторой все функции контроля и управления производством (науровне предприятия) передаются техническим средствам. На совре-менном уровне развития техники полная автоматизация практичес-ки не применяется, так как функции контроля в настоящее времяостаются за человеком. Близкими к полной автоматизации можносчитать атомные электростанции, некоторые крупные тепловые игидроэлектростанции, системы обороны страны.

Автоматизация производства предполагает наличие надежных,относительно простых по устройству и управлению машин, меха-низмов и аппаратов. При внедрении систем автоматизации жела-телен непрерывный технологический процесс, обеспечивающийудобство транспортирования сырья, материалов, полуфабрикатови готовой продукции. При разной производительности отдельныхмашин и аппаратов, входящих в технологическую линию, следуетустанавливать промежуточные емкости, обеспечивающие непре-рывность технологического процесса. Таким образом, автоматиза-ция производства предполагает его максимальную механизацию инепрерывность технологического процесса. Следует понимать, чтотехнология определяет необходимую конструкцию и режимы рабо-ты средств механизации, а также задачи, которые необходимо ре-шать при автоматизации технологического процесса.

КОНТРОЛЬНО�ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕПРИБОРЫI

РАЗДЕЛ

Глава 1. Основы метрологии и характеристикиизмерительных приборов

Глава 2. Измерительные схемы приборов и системыдистанционной передачи показаний

Глава 3. Показывающие и регистрирующиеизмерительные приборы

Глава 4. Приборы для контроля давления (вакуума)

Глава 5. Приборы для контроля температуры

Глава 6. Приборы для контроля расхода массыи учета штучной продукции

Глава 7. Приборы для контроля уровня

Глава 8. Приборы для контроля свойстви состава вещества

7

Глава 1

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИИ ХАРАКТЕРИСТИКИИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Основные понятия. Автоматизация производства, на любых ееуровнях, не возможна без информации о состоянии автоматизиру-емых объектов. Эта информация поступает в систему автоматиче-ского управления с помощью специальных технических средств —контрольно-измерительных приборов (КИП). Качество их работыопределяется метрологическими характеристиками. Они разраба-тываются отраслью науки, которая называется метрология (от греч.metron (мера) + logos (понятие, учение).

Измерение — процесс определения численного соотношениямежду действительным значением измеряемой физической вели-чины хд и некоторой величиной, принятой за единицу измерения,называемой мерой (метр, килограмм, ньютон, паскаль, кулон, вольти др.). Устройство, применяемое для сравнения измеряемой вели-чины с единицей измерения, называется измерительным прибо-ром (линейка, весы, динамометр, манометр, термометр, вольтметри др.). При этом прибор показывает некоторое количество единицизмеряемой величины (меры) — хи, которое никогда не совпадаетс действительным значением хд.

Методы измерений. Для определения численного значения из-меряемой величины хд служат прямые и косвенные методы изме-рения.

Прямые методы измерения основаны на сравнении измеряе-мой величины хд с единицей измерения с помощью меры или изме-рительного прибора, шкала которого выражена в единицах измере-ния.

Косвенные методы измерения заключаются в определении ис-комой величины хд путем измерения одной или нескольких других

8

величин, с которыми она связана математической зависимостью.

Например, из закона Ома UIR

= сопротивление проводника R мо-

жет быть вычислено по измерениям силы тока I, протекающего по

нему, и падению напряжения U в нем (URI

= ).

1.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Класс точности прибора. Ранее было указано, что показанияизмерительного прибора хи не совпадают с действительным значе-нием измеряемой величины хд. Разность хд - хи = D называется аб-солютной погрешностью измерений. Она имеет знак, размер-ность и может характеризовать точность измерений одной и той жефизической величины, но не может быть мерой сравнения точнос-ти измерений разных физических величин (нельзя определить, ка-кие измерения более точны: измерения температуры с погрешнос-тью ±1 °С или уровня с погрешностью ±10 мм).

Для сравнения точности измерения различных физических ве-личин вводится понятие относительной погрешности. Относи-тельная погрешность d, % — это отношение абсолютной погреш-ности D к действительному значению измеряемой величины хд, взя-тое по абсолютной величине:

Dd =д

100.х

С помощью относительной погрешности можно сравнивать точ-ность измерений различных физических величин, так как она неимеет размерности и знака.

Однако на сравнительную оценку точности измерений оказы-вает влияние также значение измеряемой величины хд. Априориможно предположить, что измерения температуры t1 = 5 °C с по-грешностью D = ± 0,5 °C менее точные, чем измерения температу-ры t2 = 1 000 °C с погрешностью D = ± 1 °C.

Для оценки точности работы прибора с учетом значения изме-ряемой величины, вводится понятие относительной приведеннойпогрешности g. Это отношение абсолютной погрешности к диапа-зону N шкалы прибора, взятое по абсолютной величине, %:

9

Dg = 100.

N

Диапазоном шкалы прибора N называется разность между мак-симальным значением измеряемой величины по шкале приборахиmax и минимальным значением хиmin:

N = xиmax - xиmin.

Относительная приведенная погрешность (в большинстве случа-ев) определяет основную метрологическую характеристику прибо-ра — класс точности

K = g.

Класс точности прибора всегда указывается на шкале, иногда ввиде цифры, обведенной кружком, например ±1,5 , чем он меньше,тем выше класс точности прибора.

Таким образом, глядя на шкалу прибора, можно определить мак-симально допустимую погрешность измерений (при условии, чтоприбор исправен) по формуле

.100КN

±D =

Чувствительность прибора. Чувствительностью s называют пре-дел отношения изменения выходной величины прибора Dy к изме-нению входной величины Dх при условии, что последняя стремит-ся к нулю:

0lim .x

ysxD Æ

D=

DДля стрелочного показывающего прибора выходной величиной

Dy является перемещение стрелки по шкале, а входной Dх — изме-нение измеряемой величины хд. Очевидно, чем больше s, тем болееточно визуально можно отсчитывать показания прибора.

Порог чувствительности. Порогом чувствительности Ds называ-ется минимальное изменение входной величины Dх, которое вызы-вает изменение выходной величины y, или максимальное измене-ние входной величины Dх, которое не вызывает изменение выход-ной величины y. Чем порог чувствительности ниже, тем точностьизмерений выше.

Инерционность. Инерционностью Т называется продолжитель-ность изменения выходной величины прибора y от минимального

10

до максимального значения (для стрелочного прибора — продолжи-тельность прохождения стрелки от минимальной отметки шкалы домаксимальной) при мгновенном изменении входной величины хд,измеряемой от минимального значения до максимального по шка-ле прибора. Чем больше инерционность, тем больше продолжитель-ность измерения прибором.

Вариация. Вариация В — это наибольшая разность показанийприбора при одном и том же значении измеряемой величины хдпри ее увеличении и уменьшении. Причинами вариации являют-ся трение в опорах подвижных частей измерительного механиз-ма, люфты в зазорах передаточных звеньев и др. Очевидно, боль-шая вариация показаний отрицательно сказывается на точностиизмерений.

1.3. ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА,ХАРАКТЕРИСТИКИ ШКАЛ

Отсчетные устройства в зависимости от типа прибора выполня-ют в виде шкалы и указателя (стрелки, луча) или цифрового инди-катора в показывающих приборах, записывающего устройства и ди-аграммной бумаги в самопишущих приборах, счетного механизмав суммирующих (интегрирующих) приборах. Числа отсчета изме-ряемой величины и характеристики прибора наносятся на шкалеприбора. Шкалы, кроме цифровых и интегрирующих, представля-ют собой совокупность отметок (делений) с цифрами, соответству-ющим значениям измеряемой величины. Начальная и конечная от-метки шкалы определяют нижний и верхний пределы измеренияприбора, — диапазон N шкалы прибора. Отметки на шкале называ-ются градуировкой шкалы, а численные значения единиц измере-ний — цифровкой шкалы.

На рис. 1.1 представлен внешний вид шкал: линейная (рис. 1.1, а),дуговая (рис. 1.1, б ), круговая, циферблатная (рис. 1,1, в), цифровая,или интегрирующая (рис. 1,1, г).

Кроме последнего типа шкалы характеризуются двумя основны-ми величинами:

интервал деления шкалы — расстояние между двумя соседни-ми отметками шкалы, выраженное в линейных метрических едини-цах (для линейных шкал) или угловых (для дуговых и круговых). Чембольше интервал делений, тем точность отсчета выше. С этой точ-ки зрения предпочтительнее круговые шкалы;

11

цена деления шкалы — расстояние между двумя соседними от-метками шкалы, выраженное в единицах измеряемой величины.Чем больше цена деления шкалы, тем точность отсчета ниже.

Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. У нерав-номерных шкал изменяется интервал делений. При этом к концушкалы обычно он уменьшается, при одинаковой цене делений. Та-ким образом, в равномерной шкале точность отсчета одинакова повсей шкале, а в неравномерной она уменьшается к концу шкалы.

Если шкала начинается с нулевой отметки или минимальной от-метки одного знака, то она называется односторонней. Если нульшкалы расположен где-то в середине, то шкала называется двусто-ронней.

В самопишущих приборах измеряемая величина может записы-ваться на ленточной или дисковой диаграммной бумаге.

1.4. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХСИСТЕМ И ПРИБОРОВ

Измерительная система (ИС) — это совокупность техническихсредств, предназначенных для восприятия измеряемой физическойвеличины хд и преобразования ее в визуальную информацию, и со-стоит из двух элементов: датчика Д, первичного преобразователя(ПП) и измерительного прибора (ИП). Такое построение ИС воз-можно, если выходной сигнал с ПП согласуется с входным сигна-лом ИП (например, датчик температуры преобразует ее изменение

Рис. 1.1. Виды шкал:а — линейная; б — дуговая; в — круговая циферблатная; г — цифровая, илиинтегрирующая

12

в изменение электрического сопротивления и ИП измеряет элект-рическое сопротивление).

Если выходной сигнал ПП не согласуется с входным сигналомИП, то в измерительную систему включается промежуточный со-гласующий преобразователь (СП). Он преобразовывает выходнойсигнал ПП во входной сигнал ИП. На рис. 1.2 показаны два вариан-та построения измерительной системы.

По принципу действия измерительные приборы подразделяют-ся на две основные группы: ИП прямого преобразования и ИП сле-дящего уравновешивания. На рис. 1.3, а показана структурная схе-ма прибора прямого преобразования. В них измеряемая физичес-кая величина хд, преобразованная с помощью первичного преобра-зователя ПП или согласующего преобразователя СП в другую фи-зическую величину х, поступает в измерительную схему ИС, кото-рая предназначена для ограничения величины х в определенном ди-апазоне и, иногда, для дальнейшего ее преобразования.

Стандартизированный по виду физической величины и разме-рам сигнал с ИС поступает в измерительный механизм ИМ — ме-ханическое или электронное устройство, предназначенное для при-

Рис. 1.2. Виды измерительной системы

Рис. 1.3. Виды измерительных приборов:а — прямого преобразования; б — следящего уравновешивания

ведения в действие отсчетного устройства ОУ. В результате на вы-ходе наблюдатель получает визуальную информацию y о значенииизмеряемой величины хд в виде сигнала хи с допускаемой приборомпогрешностью.

На рис. 1.3, б показана схема ИП следящего уравновешивания.Входная величина х поступает в измерительную схему сравненияИС, которая преобразует х в разностный сигнал Dх. Он подается наусилитель У, а затем в реверсивный двигатель РД. Реверсивный дви-гатель приводит в действие отсчетное устройство ОУ, а также ре-гистрирующее устройство РУ и дополнительные устройства ДУ (на-пример, сигнальные), при их наличии. Привод движения носителейрегистрирующего устройства производится с помощью синхронно-го двигателя СД. Одновременно РД приводит в действие механизмустройства обратной связи ОС, которое вводит в ИС компенсаци-онный сигнал хк, противоположный по знаку величине Dх. Когдавеличины Dх и хк станут равными по абсолютной величине, работаРД прекратится и на ОУ и РУ будет выведено значение измеряемойвеличины (с погрешностью прибора) хи.

Приборы следящего уравновешивания более сложные по конст-рукции, чем приборы прямого преобразования, однако дают болееширокие возможности использования получаемой информации(устройства РУ, ДУ) и в основном имеют более высокий класс точ-ности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая погрешность измерений определяет разность между действи-тельным значением измеряемой величины хд и ее измеренным значениемхи? 2. В каких методах измерений для определения измеряемой величиныиспользуются математические вычисления? 3. С увеличением диапазонаизмерений N класс точности прибора повышается или уменьшается?4. Как влияет чувствительность S на точность измерений (отсчета измеря-емой величины)? 5. Какая характеристика шкалы прибора увеличиваетсяв круговых шкалах по сравнению с минимальными? 6. Как называютсяшкалы приборов, используемых для измерений как положительных, так иотрицательных температур? 7. Какие устройства преобразуют в ИС изме-ряемую величину хд во входную Х для измерительного прибора? 8. Для чегоиспользуются в приборах следящего уравновешивания реверсивный дви-гатель РД и синхронный СД?

14

Глава 2

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРИБОРОВИ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ

2.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРИБОРОВ

Мостовые измерительные схемы. В измерительных схемах (ИС)приборов и систем дистанционной передачи показаний (CДПП) ши-роко применяются мостовые измерительные схемы. По принципудействия они подразделяются на мостовые неуравновешенные иуравновешенные мостовые схемы, причем последние являются мо-дификацией первых.

Свойство мостовых схем заключается в том, что если произве-дение сопротивления противоположных плеч равно друг другу, тоток и падение напряжения на концах измерительной диагонали от-сутствуют. Схема в этом случае уравновешена. Для схемы, показан-ной на рис. 2.1, а, уравнение равновесия имеет вид

R1Rx = R2R3, (2.1)

где R1, R2, R3 — постоянные сопротивления; Rx — измеряемое сопро-тивление.

При изменении сопротивления Rх уравнение нарушается. Поизмерительной диагонали начинает протекать ток, а в точках А и Споявляется падение напряжения, причем их значения пропорцио-нальны степени разбаланса, т. е. изменению сопротивления Rх. Та-ким образом, в неуравновешенной измерительной схеме измерениявозможно проводить только при разбалансе схемы (нет соблюденияуравнения равновесия).

Мостовая неуравновешенная измерительная схема (рис. 2.1, а)состоит из четырех плеч АВ, ВС, СD и DА, которые образованы тре-мя постоянными сопротивлениями R1, R2, R3 и неизвестным изме-ряемым сопротивлением Rх.

15

Плечи образуют две диагонали: диагональ питания ВD и измери-тельную АС. В диагональ питания подводится напряжение перемен-ного или постоянного тока Uпит, а в измерительную диагональ вклю-чается измерительный прибор ИП, измеряющий падение напряже-ния или ток (величина напряжения питания 4 … 6 В).

Мостовая уравновешенная измерительная схема (рис. 2.1, б )также имеет четыре плеча АВ, ВС, СD и DА, диагонали питания ВD иизмерительную АС. Особенностями этой схемы являются следу-ющие:

в измерительную диагональ включается нуль-индикатор НИ —прибор, фиксирующий отсутствие тока или падения напряже-ния;в плечо, смежное с тем, куда подключено измеряемое сопро-тивление Rх включается сопротивление реохорда Rр. Реохордпредставляет собой переменное сопротивление типа реостата,движок которого связан с показывающей стрелкой отсчетногоустройства ОУ;постоянные сопротивления R1 и R2 подбираются равными, т. е.R1 = R2.Измерения в этой схеме проводят следующим образом.Перемещая движок реохорда, добиваются нуля показаний нуль-

индикатора. Это означает, что ток в измерительной диагонали отсут-ствует, а значит, выполняется условие равновесия мостовой схемы.

Из условия R1 = R2 следует, что Rх = Rр. Таким образом, по показа-ниям ОУ реохорда можно определить значение Rх.

Рис. 2.1. Мостовые схемы:а — мостовая неуравновешенная схема; б — мостовая уравновешенная схема

16

Измерительные приборы, использующие в качестве измеритель-ных схем мостовые уравновешенные, сложнее по устройству, чемприборы с неуравновешенными мостовыми схемами, но более точны.

Следует понимать, что в измерительных приборах, используе-мых в промышленности, измерение электрических сопротивленийне является самоцелью. Они предназначены для измерения техно-логических параметров, преобразованных в изменение электриче-ского сопротивления.

Потенциометрические измерительные схемы. Используютсяв приборах, предназначенных для измерения технологических па-раметров, преобразованных в изменение падения напряжения илиэлектродвижущей силы (ЭДС).

В потенциометрических ИС измеряемая величина ЭДС компен-сируется падением напряжения на калибровочном сопротивлении.Схема измерения показана на рис. 2.2. От источника постоянногонапряжения Е через сопротивления реохорда Rр проходит ток I1,создающий на реохорде падение напряжения UАВ. Эта цепь обра-зует контур I схемы. Контур II образован источником измеряемойЭДС Ех и участком реохорда между точками А и В. В него включеннуль-индикатор НИ. Движок реохорда связан с показывающейстрелкой ОУ. Измерения проводят следующим образом.

Перемещением движка реохорда добиваются показания нуля нануль-индикаторе. Это означает, что падение напряжения на реохор-де от источника питания компенсируется измеряемой ЭДС. Такимобразом, по шкале реохорда можно судить о величине контролиру-емого параметра.

Дифференциальные измерительные схемы. Дифференциаль-ные измерительные схемы отличаются повышенной точностью из-мерения контролируемого параметра, так как измеряют не его аб-солютную величину, а разность между ней и некоторой калиброван-ной (высокоточной) величиной. Эти схемы применяют для измере-ния технологических параметров, преобразованных в электричес-кое сопротивление или в падение напряжения (ЭДС).

Рис. 2.2. Потенциометрическая измери$тельная схема

17

На рис. 2.3, а показана дифференциальная ИС для измерениятехнологических параметров, преобразованных в изменение элек-трического сопротивления. Она представляет собой неуравнове-шенную индуктивно-резистивную мостовую схему. Плечи мостаАС, СВ, ВD и DА образованы двумя постоянными индуктивнымисопротивлениями L1 и L2, постоянным активным сопротивлением R1и измеряемым сопротивлением Rх. Диагональ СD питается напря-жением переменного тока от трансформатора TV. В измерительнуюдиагональ АВ включен измерительный прибор ИП, измеряющийток, или падение напряжения. При изменении величины Rх возни-кает разбаланс мостовой схемы, уравнение равновесия которойхL1Rх = хL2R1. Он вызывает появление в измерительной диагоналитока или падения напряжения пропорциональных изменению со-противления Rх.

На рис. 2.3, б показана дифференциальная ИС для измерениятехнологических параметров, преобразованных в изменение элек-трического напряжения переменного тока. Схема также представ-ляет мостовую неуравновешенную схему с плечами АС, СВ, ВD и DА.На диагональ питания СD напряжение подается от трансформато-ра TV. В измерительную диагональ АВ включен измерительный при-бор ИП, измеряющий величину тока или падение напряжения. От-личие этой схемы от предыдущей состоит в том, что датчиктехнологического параметра включается в плечо АС. При измене-нии контролируемой величины меняется индуктивное сопротивле-ние обмотки L2 (xL2). Это вызывает изменение ЭДС Е1, что приво-

Рис. 2.3. Дифференциальные измерительные схемы:а — дифференциальная измерительная схема для измерения технологическихпараметров, преобразованных в изменение электрического сопротивления;б — дифференциальная измерительная схема для измерения технологическихпараметров, преобразованных в изменение электрического напряжения пере$менного тока

18

дит к появлению тока в измерительной диагонали и падению напря-жения в точках А и В. Полученный сигнал пропорциональный Е1, аследовательно, и контролируемому параметру, измеряется прибо-ром ИП.

2.2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМАПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВИНФОРМАЦИИ

Государственная система промышленных приборов и средствинформации (ГСП) используется в целях наиболее экономическицелесообразного решения проблемы обеспечения техническимисредствами автоматических систем контроля, регулирования и уп-равления технологическими процессами для разных отраслей хо-зяйства, в том числе отраслей агропромышленного комплекса. Породу энергии используемой для питания устройств и формированиясигналов ГСП подразделяется на следующие ветви: электрическую,пневматическую, гидравлическую, а также ветвь приборов и уст-ройств, работающих без источников вспомогательной энергии.

Унификация сигналов измерительной информации (определяе-мая соответствующими стандартами) обеспечивает передачу и об-мен информацией, дистанционную связь между устройствами уп-равления, передачу результатов измерений от средств полученияинформации к устройствам контроля и управления, а также управ-ляющих сигналов к исполнительным механизмам в автоматическихсистемах любой сложности.

Из электрических сигналов наибольшее распространение полу-чили унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения(0… 5 мА; 0… 20 мА; 0… 10 мВ; -10 … 0 … + 10 В и др.). Пневматическиесигналы связи (0,02 … 0,1 МПа) нашли достаточно широкое приме-нение в тех производствах, где отсутствуют повышенные требова-ния к инерционности автоматизируемых процессов и где необхо-димо учитывать пожаро- и взрывоопасность производств. Гидрав-лические сигналы характеризуются давлением рабочей жидкости0,2 … 0,8 МПа.

К первой группе приборов и устройств ГСП относятся первич-ные измерительные преобразователи (датчики), измерительныеприборы и устройства, которые вместе с нормирующими устрой-ствами, формирующими унифицированный сигнал, образуют груп-пу устройств получения измерительной информации. В связи с

19

большими разнообразиями контролируемых и измеряемых пара-метров, а также конструктивных исполнений измерительных уст-ройств номенклатура средств этой группы является самой много-численной.

Во вторую группу входят различные преобразователи сигналови кодов, коммутаторы измерительных цепей, шифраторы и дешиф-раторы, согласовательные устройства, а также устройства дистан-ционной передачи, телеизмерения, телесигнализации и телеуправ-ления.

В третью группу устройств, называемую центральной частьюГСП, входят технические средства, предназначенные для формаль-ной и содержательной обработки измерительной информации иформирования управляющих воздействий: анализаторы сигналов,функциональные и операционные преобразователя, логические ус-тройства, запоминающие устройства, автоматические регуляторы,задатчики всех типов, а также управляющее вычислительные маши-ны и устройства, в том числе микропроцессоры, микро- и мини-ЭВМ и др. В функциональном отношении эта группа устройств яв-ляется самой сложной, поскольку они реализуют все алгоритмы ав-томатического регулирования управления: от простейших задачстабилизации до автоматизации управления предприятиями илидаже целыми отраслями.

Рис. 2.4. Функциональная схема ГСП

20

Устройства четвертой группы (исполнительные устройства) —это электрические, пневматические, гидравлические или комбини-рованные исполнительные механизмы (ИМ), усилители мощности,позиционеры и некоторые вспомогательные устройства к ним, атакже различные регулирующие органы, которые могут в ряде слу-чаев быть составной частью основного технологического оборудо-вания.

Дальнейшим развитием ГСП служат агрегатные комплексы (АК),создаваемые на основе технических средств, входящих в отдельныефункциональные группы ГСП, и предназначенные для самостоя-тельного применения в соответствии с их спецификой.

На рис. 2.4 показана функциональная схема ГСП, которая пока-зывает направление информационных и управляющих сигналов всистеме контроля технологических параметров и автоматическогоуправления объектом управления. В зависимости от уровня авто-матизации производства, под объектом управления понимаетсяотдельный аппарат, агрегат, технологический участок, технологи-ческая линия или цех. На современном уровне развития техникиполностью автоматизированных заводов не существует.

2.3. СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИПОКАЗАНИЙ

Общие сведения. Системы дистанционной передачи показаний(CДПП) предназначены для восприятия величины технологическо-го параметра и преобразования его в другую физическую величи-ну с помощью первичного преобразователя (ПП), передачи на рас-стояние с помощью линии связи (ЛС) и восприятия в виде визуаль-ной информации на ИП.

Используются СДПП также для передачи на расстояние преоб-разованных значений технологических параметров для управлениятехнологическими процессами. В этом случае сигналы воспринима-ются не ИП, а регулирующими устройствами. В зависимости от ис-пользуемой энергии CДПП подразделяются на электрические (оми-ческие, дифференциально-трансформаторные, ферродинамиче-ские) и пневматические. Используются также сельсинные, гидрав-лические, радио и телевизионные, оптоволоконные и др. В пищевойпромышленности эти виды связи практически не применяются.

Омические СДПП. Этот вид СДПП (рис. 2.5) предназначен дляконтроля на расстоянии технологических параметров, преобразо-

21

ванных в изменение электрического сопротивления. СДПП состо-ит из первичного преобразователя ПП, 3-проводной линии связи ЛСи измерительного прибора ИП. ПП представляет собой реохорд Rпп,движок которого механически связан с датчиком технологическо-го параметра (ДТП). ИП имеет также реохорд Rип, который элект-рически вместе с Rпп образует уравновешенную мостовую схему сплечами АС, СВ, ВD и DА. Уравнение равновесия мостовой схемы:

r1r4 = r2r3,

где r1, … , r4 — текущие значения сопротивлений Rпп и Rип.Диагональ питания СD и измерительная диагональ АВ подклю-

чены на вход электронного усилителя ЭУ.Выход ЭУ соединен с реверсивным двигателем РД, вал которо-

го механически связан с движком Rип и показывающей стрелкойотсчетного устройства. При изменении значения контролируемо-го параметра смещается движок Rпп, что приводит к изменению со-противлений r1 и r2. При этом нарушается уравнение равновесиясхемы. В измерительной диагонали появляется электрический сиг-нал, который через ЭУ поступает на РД. Его вал начинает вращать-ся, перемещая показывающую стрелку и изменяя положениедвижка Rип. При этом будут изменяться сопротивления r3 и r4. Дви-гатель будет работать до тех пор, пока равновесие не восстановит-ся, а после окончания его работы стрелка покажет новое значениетехнологического параметра. Загрязнение поверхности обмоткиRпп и истирание ее движком приводит к изменению сопротивле-ния Rпп, что нарушает точность измерений. Кроме того, при рабо-те может произойти отрыв движка от обмотки преобразователя.В связи с этим область применения омических СДПП достаточноограничена.

Рис. 2.5. Омическая система преобразования и передачи данных

22

Дифференциально-трансформаторная СДПП. Предназначенадля измерения технологических параметров, преобразованных влинейное перемещение.

Измерительная схема дифференциально-трансформаторнойСДПП (рис. 2.6) состоит из первичного преобразователя ПП, 4-про-водной линии связи ЛС и измерительного прибора ИП. ПП состо-ит из сердечника 1, который штоком 7 соединен с датчиком техно-логического параметра. При его изменении сердечник перемеща-ется в вертикальном направлении на величину Dl. Сердечник нахо-дится между питающей индукционной обмоткой L1 и вторичной,измерительной L2. Вторичная обмотка состоит из двух секций, вклю-ченных в противофазе. В секциях индуцируются ЭДС е1 и е2. Сум-марное напряжение

DU1 = e1 - e2.

ИП имеет сердечник 2, который штоком 3 через толкатель 5 опи-рается на профильный кулачок 6. Ось кулачка связана с валом ре-версивного двигателя РД. Вал РД соединен также с показывающейстрелкой 4. Сердечник находится между питающей L3 и измеритель-ной L4 обмотками. Сердечник и обмотки идентичны тем же элемен-там ПП. В секциях обмотки L4 индуцируются ЭДС е3 и е4. Суммар-ное напряжение

DU2 = e3 - e4.

Общее напряжение, снимаемое с обмоток L2 и L4,

DU = DU1 - DU2.

Рис. 2.6. Дифференциально$трансформаторная система преобразо$вания и передачи данных

23

Если сердечники 1 и 2 находятся в одинаковых положениях меж-ду своими обмотками, то ЭДС, индуцируемые в секциях обмотокпопарно равны, т. е.

e1 = e3, e2 = e4.

В этом случае суммарные напряжения, снимаемые с обмоток,также равны: DU1 =DU2, и сигнал, поступающий на ЭУ, DU = 0. ВалРД будет неподвижен.

При изменении величины технологического параметра происхо-дит перемещение сердечника 7. При этом изменяются величины е1и е2 и нарушается равенство: е1 π е3, е2 π е4. Выходные сигналы с об-моток также становятся не равны друг другу: DU1 π DU2, и возника-ет разностный сигнал DU = DU1 - DU2. Этот сигнал через ЭУ посту-пает на РД. Его вал начинает вращаться, перемещая показывающуюстрелку 4 и вращая кулачок 6. При этом происходит перемещениесердечника 2. РД будет работать до тех пор, пока сердечник 2 незаймет такое же положение, как сердечник 7. В этом случае равно-весие схемы восстановится.

Ферродинамическая СДПП. Этот вид СДПП предназначен дляизмерения технологических параметров, преобразованных в угло-вое перемещение. Схема СДПП показана на рис. 2.7. Первичныйпреобразователь ПП соединен 4-проводной линией связи ЛС с из-мерительным прибором ИП. ПП состоит из цилиндрического сер-дечника 6, помещенного внутри проволочной рамки 1, которая мо-жет поворачиваться вокруг оси и штоком 5 соединена с датчикомтехнологического параметра. Рядом с рамкой и сердечником нахо-дится питающая индукционная обмотка L1, от которой в рамке 1 на-водится ЭДС е1, значение которой зависит от угла ее поворота j1.ИП имеет такой же сердечник 3, помещенный внутри проволочнойрамки 2. Рамка механически связана с валом РД и поворачиваетсявокруг своей оси при вращении вала РД. Рядом с сердечником и рам-кой находится обмотка питания L2, от которой в рамке наводитсяЭДС е2, значение которой зависит от угла поворота j2. Обе рамки 1и 2 подключены на вход электронного усилителя ЭУ. Сигнал, пода-ваемый на вход ЭУ, DU = е1 - е2. Если углы поворота рамок одинако-вы (j1 = j2), то и ЭДС, индуцируемые в рамках, также одинаковы(е1 = е2). Тогда сигнал, поступающий на ЭУ, равен нулю, т. е. DU = 0,и вал РД будет неподвижен.

При изменении величины технологического параметра шток 5поворачивает рамку 1, изменяя угол j1. Это вызывает изменениевеличины е1 и возникновение разностного сигнала DU = е1 — е2. Онпоступает на ЭУ и далее на РД. Его вал начинает поворачиваться,

24

перемещая стрелку 4 и поворачивая рамку 2 до тех пор, пока не вос-становится равенство j1 = j2. В этом случае вновь е1 = е2, DU = 0 иработа двигателя прекратится.

Достоинством двух последних СДПП по сравнению с омическойявляется отсутствие механических контактов в преобразователяхПП и ИП.

Пневматическая СДПП. Этот вид СДПП в качестве полезныхсигналов использует давление сжатого воздуха в диапазоне рс =0,02 … 0,1 МПа, а питанием служит сжатый воздух давлением рп =0,14 МПа.

Наиболее широко в пневматических СДПП используются пре-образователи силовой компенсации. Схема такой СДПП изображе-на на рис. 2.8. Контролируемый параметр преобразуется в первич-ном преобразователе в перемещение Dl тяги 1. В результате на ней

Рис. 2.7. Ферродинамическая система преобразования и передачиданных

Рис. 2.8. Пневматическая системапреобразования и пере�дачи данных

возникает усилие F, воздействующее на рычаг 2. Например, при уве-личении технологического параметра тяга перемещается вправо,что приводит к повороту рычаг 2 вокруг опоры 3 по часовой стрел-ке. Закрепленная на конце рычага заслонка 4 приближается к со-плу 5, уменьшая сброс воздуха через него в атмосферу из камеры6. В камеру поступает воздух давлением питания через пневмосоп-ротивление a. Оно снижает давление до максимально возможногодля полезного сигнала — 1 кг/см2. При уменьшении сброса возду-ха увеличивается давление в камере 6, которое в качестве выходногодавления рвых поступает по пневмоприводу 7 к измерительному при-бору ИП. Одновременно в качестве сигнала обратной связи Рос дав-ление поступает по пневмоприводу 9 в камеру 12. В ней установленсильфон 10. Под действием усилия давления Рос он сжимается. Этоусилие через шток 11 передается рычагу 2 стремясь повернуть егопротив часовой стрелки.

Когда усилие сильфона уравновесит усилие тяги 1, перемещениерычага 2 прекратится и на выходе из камеры 6 будет сформировансигнал Рвых, пропорциональный величине контролируемого пара-метра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В момент измерения технологического параметра проходит ток поизмерительной диагонали мостовой уравновешенной схемы, или нет?2. Могут ли к мостовым измерительным схемам подключаться ИП, изме-ряющие электрическое сопротивление? 3. В чем схожесть использованияреохорда в мостовых и потенциометрических ИС? 4. В чем преимуществодифференциальных ИС по сравнению с мостовыми и потенциометриче-скими ИС? 5. Назовите цели, которые решаются с применением ГСП.6. Какая группа устройств ГСП является наболее многочисленной и поче-му? 7. Каково назначение реверсивного двигателя (РД) в СДПП? 8. В чемнедостаток омической СДПП? 9. Можно ли использовать дифференциаль-но-трансформаторную и ферродинамическую CДПП для измерениятехнологических параметров, преобразованных в изменение электричес-кого сопротивления? 10. В чем преимущество дифференциально-транс-форматорной и ферродинамической СДПП по сравнению с омическойСДПП?