Промежуточные преобразователи

Промежуточные преобразователи предназначены для преобразования выходных сигналов первичных преобразователей в унифицированные промежуточные. В этом случае выходной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом промежуточного.

Промежуточный преобразователь представляет собой комбинацию элементарных преобразователей, обеспечивающую заданные метрологические характеристики: погрешность, стабильность, линейность, чувствительность. В большинстве преобразователей используется наиболее точный метод измерения — нулевой. Поэтому промежуточные преобразователи, как правило, представляют собой астатические следящие системы или статические с глубокой обратной связью, подобно изображенной на рис. 14.

В качестве промежуточных применяются также и элементарные преобразователи, работающие по методу непосредственной оценки. Для этой цели применяют лишь трансформаторные и мостовые преобразователи, так как они обеспечивают достаточно хорошие метрологические характеристики без дополнительных устройств.

Все промежуточные преобразователи пневматической ветви ГСП имеют одинаковый выходной унифицированный сигнал — давление сжатого воздуха от 0,2·10⁵ до 1,0·10⁵ Па. В отличие от пневматической электрическая ветвь ГСП допускает использование различных выходных сигналов. Среди промежуточных преобразователей с электрическим выходом наибольшее распространение получили преобразователи с выходным сигналом в виде постоянного тока, изменяющегося от 0 до 5 мА. Такой выходной сигнал позволяет к одному промежуточному преобразователю подключать последовательно несколько потребителей: измерительные приборы, регуляторы, машины централизованного контроля и системы управления. Наиболее распространенные серийно выпускаемые промышленностью промежуточные преобразователи приведены в табл. 6.

Таблица 6

Тип промежуточного преобразователя	Входной сигнал	Выходной сигнал
ПП-1 ЭПП-63 ПЭ-1 ПЭ-55М НП-ТЛ1-М НП-СЛ1-М   НП-ПЗ	Сила Ток Сила Давление сжатого воздуха Э. д. с. термопары Электрическое сопротивление термометра Напряжение переменного тока	Давление сжатого воздуха Давление сжатого воздуха Ток Ток Ток Ток   Ток

Преобразователь силы в давление сжатого воздуха. Для преобразования силы в унифицированное давление сжатого воздуха применяют преобразователи ПП-1. Такой преобразователь (рис. 40, а) состоит из рычага 1, сопла с заслонкой 4, сильфона 6, а также пневматического усилителя мощности 5.

Входным сигналом преобразователя является сила F, приложенная к левому плечу рычага а, а выходным - давление сжатого воздуха р на выходе усилителя мощности.

На рис. 40, б приведена структурная схема преобразователя, из которой видно, что его можно представить в виде последовательного соединения двух преобразователей: преобразователя измеряемой силы F в момент М (приложенный к рычагу 1) и преобразователя этого момента в выходное давление р. Второй преобразователь представляет собой следящую систему, в которой обратным преобразователем является сильфон 6 вместе с правым плечом рычага b. Рычаг одновременно выполняет функции преобразования приложенных к нему сил F и F_м в моменты М и М_м (преобразователи а и b), вычитания этих моментов (сумматор С) и интегратора (И).

Рис. 40. Преобразователь силы в давление сжатого воздуха ПП-1: а — устройство, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1 — рычаг, 2 — корректор нуля, 3 — постоянный дроссель; 4 — сопло с заслонкой, 5 — усилитель мощности, 6 — сильфон; а, b — плечи рычага, С — сумматор, И — интегратор

Рассмотрим принцип действия преобразователя. К рычагу 1 приложены измеряемая сила F и сила F_м, создаваемая сильфоном 6. Эти силы создают на рычаге противоположно направленные моменты:

M=a·F (33)

M_м=a·F_м (34)

где а и b—длины плеч рычага.

Результирующий вращающий момент ΔM=М—М_м вызывает поворот рычага 1 и перемещение l расположенной на нем заслонки элементарного преобразователя сопло-заслонка 3—4.

Выходной сигнал этого преобразователя — давление сжатого воздуха р₁ — после усиления по мощности в усилителе 5 становится выходным сигналом р всего преобразователя. Этот выходной сигнал подается на вход обратного преобразователя — сильфона 6, замыкая тем самым контур обратной связи.

Наличие в следящей системе интегратора И в виде рычага 1 делает ее астатической. Следовательно, в установившемся состоянии такой системы рассогласование равно нулю. Так как в рассматриваемом преобразователе рассогласованием является разность моментов ΔM, то моменты М и М_м при этом оказываются равными. Это означает, что связь выходного сигнала следящей системы р с ее входным сигналом М такая же, как с сигналом М_м. Но, как видно из структурной схемы, момент М_м — результат преобразования выходного давления р двумя преобразователями в цепи обратной связи: сильфоном 6 и плечом рычага b.

Таким образом, статическая характеристика всей следящей системы как преобразователя момента М в давление р определяется только статической характеристикой цепи обратной связи.

Найдем статическую характеристику цепи обратной связи. Для сильфона в соответствии с формулой (23) имеем:

F_m = Sр (35)

Подставляя это выражение в формулу для рычага (34), получим статическую характеристику всей цепи обратной связи:

M_m=bSp (36)

Искомая статическая характеристика следящей системы получается из уравнения (36), если заменить в нем М_м на М и затем решить относительно р:

p=М/bS (37)

Теперь можно получить статическую характеристику всего преобразователя ПП-1. Для этого достаточно заменить момент М силой Р по формуле (33). Получим:

P=k F (38)

где коэффициент пропорциональности k=a/bS - коэффициент передачи преобразователя.

Тот факт, что статическая характеристика астатической следящей системы определяется только характеристикой обратной связи, является важным свойством следящих систем как измерительных устройств. Благодаря этому свойству метрологические требования ко всей системе могут быть выполнены в результате выбора преобразователя в цепи обратной связи с необходимой характеристикой. При этом в прямой цепи следящей системы могут быть применены преобразователи с низкими метрологическими качествами.

Так, в нашем случае перемещение рычага l преобразуется в выходное давление р преобразователем сопло-заслонка и усилителем мощности. Такое преобразование, как видно из рис. 30, б, является нелинейным и, кроме того, зависит от давления питания р_пит.

В преобразователе имеется корректор нуля 2 (пружина). Изменяя натяжение пружины, можно создавать дополнительный вращающий момент на рычаге и тем, самым изменять величину выходного сигнала преобразователя при неизменном значении входного. При наладке преобразователя корректором устанавливают начальное значение выходного давления (р₀=0,2·10⁵ Па) при нулевом значении измеряемой силы F.

Поэтому с учетом корректора статическая характеристика преобразователя силы в давление сжатого воздуха окончательно имеет вид:

р =p₀+kF(39)

График этой характеристики приведен на рис. 40, в.

Следует подчеркнуть, что в данном преобразователе с помощью астатической следящей системы реализуется нулевой метод измерения. При этом роль переменной меры играют преобразователи в цепи обратной связи. Такой же прием используется во всех промежуточных преобразователях, которые будут описаны ниже.

Рассмотренный преобразователь может служить и для преобразования перемещения в давление сжатого воздуха. В этом случае перед ним включают дополнительный преобразователь перемещения в силу (например, пружину).

Преобразователи типа ПП-1 обычно объединены в один блок с первичными преобразователями, имеющими выходной сигнал в виде силы. Поэтому для них регламентируются лишь предельное расстояние передачи выходного сигнала по пневмотрассе (300 м) и постоянная времени (равная 7 с) при работе преобразователя на тупиковую импульсную трубку длиной 60 м с внутренним диаметром 6 мм. Эта постоянная времени обусловлена нагрузочным эффектом и зависит от мощности выходного сигнала, для повышения которого и применен пневматический усилитель мощности.

Предельное значение силы F, измеряемой преобразователем, для различных моделей — от 10 до 100 Н.

Преобразователь тока в давление сжатого воздуха. Для преобразования унифицированного токового сигнала 0 — 5 мА в унифицированное давление сжатого воздуха, т.е. для перехода с электрической ветви ГСП на пневматическую, применяют преобразователи ЭПП-63.

Такой преобразователь (рис. 41, а) состоит из рычага 7, преобразователя сопло-заслонка 3 — 4, сильфона 6, магнитоэлектрического преобразователя 1, а также пневматического усилителя мощности 5.

Входным сигналом преобразователя является ток i в катушке магнитоэлектрического преобразователя, а выходным — давление сжатого воздуха р на выходе усилителя мощности.

Сравнив преобразователь ЭПП-63 с ПП-1, можно заметить, что он представляет собой последовательное соединение двух преобразователей (рис. 41, б).

Первый — магнитоэлектрический преобразователь 1 входного тока iв силу Р. Второй — преобразователь 8 этой силы в выходное давление сжатого воздуха р — аналогичен преобразователю ПП-1.

Так как статические характеристики обоих преобразователей линейны, то и статическая характеристика всего преобразователя тока в давление сжатого воздуха также линейна. Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 41, в.

Рис. 41. Преобразователь тока в давление сжатого воздуха ЭПП-63: а — устройство, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1 — магнитоэлектрический преобразователь, 2 — корректор нуля, 3 — постоянный дроссель, 4 — сопло с заслонкой, 5 — усилитель мощности, 6— сильфон обратной связи, 7 — рычаг, 8 — преобразователь силы в давление сжатого воздуха

Установка начального значения выходного давления Р₀=0,2·10⁵ Па при нулевом входном токе производится корректором нуля 2, так же как в преобразователе ПП-1.

Метрологические характеристики преобразователя ЭПП-63 по выходному сигналу аналогичны характеристикам преобразователя ПП-1. Кроме них, для него регламентируется выходное сопротивление предыдущего измерительного преобразователя (приблизительно 1500 Ом), так как от этого сопротивления зависит дополнительная погрешность из-за нагрузочного эффекта.

Преобразователь силы в ток. Для преобразования силы в унифицированный токовый сигнал 0—5 мА применяют преобразователи ПЭ-1. Преобразователь (рис. 42, а) состоит из рычага 1, дифференциально-трансформаторного преобразователя 3, магнитоэлектрического преобразователя 5, а также электронного усилителя 4 с выпрямителем переменного тока.

Рис. 42. Преобразователь силы в ток ПЭ-1: а — устройство, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1 — рычаг, 2 — корректор нуля, 3 — дифференциально-трансформаторный преобразователь, 4 — усилитель, 5 — магнитоэлектрический преобразователь.

Входным сигналом преобразователя является сила F, приложенная к левому плечу рычага а, а выходным — ток i на выходе усилителя.

Структурная схема преобразователя ПЭ-1 приведена на рис. 42, б. Из схемы видно, что его можно представить в виде двух последовательно соединенных преобразователей: преобразователя измеряемой силы F в момент М (приложенный к рычагу 1) и преобразователя этого момента в выходной сигнал i. Второй преобразователь представляет собой следящую систему, в цепь обратной связи которой включен магнитоэлектрический преобразователь 5 вместе с правым плечом рычага b. Рычаг выполняет те же функции, что и в преобразователе ПП-1.

Принципы действия преобразователей ПЭ-1 и ПП-1 во многом схожи. Здесь на рычаг 1 также действуют две силы: измеряемая сила F и сила F_m, создаваемая магнитоэлектрическим преобразователем 5. Моменты этих сил М и М_m сравниваются на рычаге и результирующий вращающий момент ΔМ вызывает поворот рычага и перемещение l прикрепленного к нему плунжера дифференциально-трансформаторного преобразователя 3. Этот преобразователь преобразует перемещение l в напряжение переменного тока U, которое затем усиливается и выпрямляется в электронном усилителе 4. Выходной сигнал усилителя — постоянный ток i — проходит через внешнюю нагрузку (например, миллиамперметр) и катушку магнитоэлектрического преобразователя 5, включенные последовательно. Иначе говоря, выходной сигнал преобразователя — ток i — подается на вход магнитоэлектрического преобразователя, замыкая тем самым контур обратной связи следящей системы.

Наличие интегратора И (рычага) делает эту систему астатической аналогично следящей системе на рис. 40, б. Поэтому статическая характеристика системы также определяется статической характеристикой цепи обратной связи. Магнитоэлектрический преобразователь в этой цепи имеет линейную характеристику и поэтому статическая характеристика всей следящей системы — зависимость тока i от момента М — также линейна. А так как характеристика преобразователя а силы F в момент М линейная, то и статическая характеристика всего преобразователя ПЭ-1 оказывается также линейной. Эта характеристика приведена на рис. 42, в.

Преобразователь ПЭ-1 выпускается в виде двух отдельных блоков. Один блок включает в себя элементы, имеющие механическую связь между собой: рычаг, дифференциально-трансформаторный преобразователь и магнитоэлектрический преобразователь. Вторым блоком преобразователя является электронный усилитель. Расстояние между блоками должно быть не более 3 м при монтаже линии связи неэкранированным кабелем и не более 100 м при монтаже экранированным кабелем. Сопротивление нагрузки — не более 2500 Ом.

Измерительные приборы или другие потребители, например регулятор, могут быть подключены к преобразователю по двум схемам: измерения тока или измерения напряжения. В первом случае несколько потребителей соединяются последовательно друг с другом, во втором — параллельно специальному нагрузочному резистору.

В преобразователе имеется корректор нуля 2 — пружина, натяжением которой устанавливают нулевое значение выходного тока при нулевом значении измеряемой силы.

Максимальная сила, измеряемая преобразователем в зависимости от модели, — от 10 до 100 Н.

Преобразователь давления сжатого воздуха в ток. Для преобразования унифицированного давления сжатого воздуха 0,2·10⁵ — 1,0·10⁵ Па в унифицированный токовый сигнал 0 — 5 мА, т. е. для перехода с пневматической ветви ГСП на электрическую, применяют преобразователи ПЭ-55М. Такой преобразователь (рис. 43, а) состоит из трубчатой пружины 3, пружины 4, рычага 1, колебательного контура 5, специального усилителя 6 и магнитоэлектрического преобразователя 7.

Входным сигналом преобразователя является давление сжатого воздуха р, подаваемое в трубчатую пружину, а выходным — ток i.

Структурная схема преобразователя приведена на рис. 43, б. Как видно из схемы, преобразователь представляет собой последовательное соединение трех преобразователей. Первый — преобразователь 3 давления сжатого воздуха р в перемещение l₁ конца трубчатой пружины, второй — преобразователь 4 этого перемещения в силу F, приложенную к левому плечу рычага а. Статические характеристики обоих этих преобразователей линейны. Третий преобразователь 8 силы F в выходной ток i почти аналогичен преобразователю ПЭ-1. Отличается он лишь тем, что перемещение l преобразуется не в напряжение переменного тока U, а в резонансную частоту колебательного контура 5 и затем усилителем 6 — в выходной ток i.

Статическая характеристика преобразователя 8, так же как и ПЭ-1, определяется характеристикой магнитоэлектрического преобразователя 7 и поэтому тоже линейна. Следовательно, преобразователь ПЭ-55М, измерительная цепь которого состоит из трех указанных преобразователей, имеет линейную статическую характеристику (рис. 43, в).

Рис. 43. Преобразователь давления сжатого воздуха в ток ПЭ-55М:

а — устройство, б — структурная схема, в— статическая характеристика; 1 — рычаг, 2 — корректор нуля, 3 — трубчатая пружина, 4 — пружина, 5 — колебательный контур, 6 — усилитель, 7 — магнитоэлектрический преобразователь, 8 — преобразователь силы в ток

К преобразователю может быть подключено несколько потребителей. Схемы и условия их подключения такие же, как для преобразователя ПЭ-1.

В преобразователе имеется корректор нуля 2, изменяющий натяжение пружины 4. Этим корректором устанавливают нулевое значение выходного тока при начальном значении измеряемого давления р₀.

Преобразователь э.д.с. термопары в ток. Для преобразования э.д.с. термопары, в унифицированный токовый сигнал 0 — 5 мА применяют нормирующий преобразователь НП-ТЛ1-М. Преобразователь (рис. 44, а) состоит из усилителя 1 с выпрямителем, блока линеаризации 2 и неуравновешенного моста 3 для компенсации температуры холодных спаев термопары 4.

Входным сигналом преобразователя является э.д.с. термопары U, выходным — ток i.

Рис. 44. Преобразователь э. д. с. термопары в ток НП-ТЛ1-М:

а — блок-схема, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1— усилитель, 2 — блок линеаризации, 3 — неуравновешенный мост, 4 — первичный преобразователь (термопара)

Из структурной схемы преобразователя НП-ТЛ1-М (рис. 44, б) видно, что он представляет собой следящую систему. В прямой цепи этой системы включен усилитель 1 с выпрямителем, во входной цепи которого производится вычитание сигналов U и U_м. Следовательно, входная цепь усилителя выполняет функцию сумматора С. В цепь обратной связи включен блок линеаризации 2, преобразующий выходной ток i в напряжение обратной связи U_м.

Рассмотрим принцип действия преобразователя НП-ТЛ1-М. К входу усилителя 1 приложена разность Δ U измеряемой э.д.с. U и напряжения обратной связи U_м. Эта разность усиливается усилителем, и его выходной ток i проходит через внешнюю нагрузку и блок линеаризации 2, включенные последовательно. Поэтому ток i является одновременно выходным сигналом всего преобразователя и входным сигналом преобразователя в цепи обратной связи. Выходной сигнал этого преобразователя — напряжение U_м — подается во входную цепь усилителя, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Из структурной схемы преобразователя НП-ТЛ1-М видно, что в ней отсутствует интегратор. Поэтому преобразователь представляет собой статическую следящую систему. В такой системе, как известно, в установившемся состоянии имеется статическая ошибка: напряжение Δ U не равно нулю. Однако глубина обратной связи в этой следящей системе выбирается настолько большой, чтобы статической ошибкой можно было пренебречь. Тогда выходной сигнал обратного преобразователя U_м можно считать равным измеряемому сигналу U. Следовательно, зависимость выходного тока i от входной э.д.с. U (статическая характеристика преобразователя), так же как и в астатической системе, определяется только статической характеристикой преобразователя в цепи обратной связи — блока линеаризации 2. Характеристика блока линеаризации выбирается такой, чтобы скомпенсировать нелинейность характеристики первичного преобразователя — термопары 4. Таким способом достигается линейная зависимость выходного тока от измеряемой температуры Т. Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 44, в.

Преобразователь НП-ТЛ1-М изготовляют для работы в одном из стандартных диапазонов температур совместно с термопарами различных типов. Сопротивление нагрузки преобразователя не должно превышать 2,5 кОм, а сопротивление линии связи с первичным преобразователем — 150 Ом.

В преобразователе имеются корректор нуля выходного тока и кнопка «Репер» для проверки исправности преобразователя. При нажатии на кнопку «Репер» должен устанавливаться выходной сигнал 4,5±0,24 мА.

Преобразователь электрического сопротивления термометра в ток. Для преобразования электрического сопротивления термометра сопротивления в унифицированный токовый сигнал 0 — 5 мА применяют нормирующий преобразователь НП-СЛ1-М (рис. 45, а). Он состоит изнеуравновешенного моста 3, усилителя 1 и блока линеаризации 2. Входным сигналом преобразователя является электрическое сопротивление термометра R, а выходным — ток i. Из структурной схемы преобразователя (рис. 45, б),видно, что он представляет собой последовательное соединение двух преобразователей. Первый из них — неуравновешенный мост 3, преобразующий электрическое сопротивление R в напряжение U, второй — преобразователь 4 преобразует это напряжение в ток i. Преобразователь 4 аналогичен преобразователю НП-ТЛ1-М.

Характеристика блока линеаризации 2 преобразователя выбирается такой, чтобы скомпенсировать нелинейность статических характеристик неуравновешенного моста 3 и первичного преобразователя — термометра сопротивления 5. Таким образом достигается линейная зависимость выходного тока от измеряемой температуры Т. Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 45, в.

Рис. 45. Преобразователь электрического сопротивления термометра в ток НП-СЛ1-М: а — блок-схема, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1 — усилитель, 2 — блок линеаризации, 3 — неуравновешенный мост, 4 — преобразователь напряжения в ток, 5 — первичный преобразователь (термометр сопротивления).

Преобразователи НП-СЛ1-М изготовляют для работы в одном из стандартных диапазонов температур совместно с термометрами сопротивления различных типов. Сопротивление нагрузки преобразователя, включая сопротивление линии связи, не должно превышать 2,5 кОм.

В преобразователе НП-СЛ1-М, как и в НП-ТЛ1-М, имеются корректор нуля выходного тока и кнопка «Репер». Кроме того, на переднюю панель преобразователя выведен подгоночный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы разница сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с преобразователем, не превышала 0,05 Ом.

Преобразователь напряжения переменного тока в постоянный. Для преобразования унифицированного напряжения переменного тока 0 — 2 В в унифицированный токовый сигнал 0 — 5 мА применяют преобразователь НП-ПЗ (рис. 46, а).

Рис. 46. Преобразователь напряжения переменного тока в постоянный НП-ПЗ: а - блок-схема, б — структурная схема, в — статическая характеристика; 1 усилитель, 2 — блок линеаризации, 3 — выпрямитель, 4 — преобразователь напряжения в ток, 5 — дифференциально-трансформаторный преобразователь

Он обычно используется в качестве нормирующего для преобразования в унифицированный токовый сигнал выходного сигнала дифференциально-трансформаторного преобразователя 5. При такой схеме включения дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещение l его плунжера преобразуется в напряжение переменного тока U. При этом необходимо стабилизировать напряжение питания преобразователя, для чего предусмотрен стабилизированный источник питания с напряженим U_стаб.

Преобразователь состоит из выпрямителя 3, усилителя 1 и блока линеаризации 2. Назначение усилителя и блока линеаризации то же, что и в преобразователе НП-ТЛ1-М.

Входным сигналом преобразователя является напряжение переменного тока U, а выходным — ток i.

Из структурной схемы преобразователя (рис. 46, б) видно, что он представляет собой последовательно включенные выпрямитель 3 и преобразователь 4, который аналогичен НП-ТЛ1-М. Выпрямитель 3 преобразует входное напряжение переменного тока U₁ во входной сигнал преобразователя 4 — напряжение постоянного тока i. Выходным сигналом преобразователя 4 является ток i. Линейная зависимость выходного тока от параметра, измеряемого дифференциально-трансформаторным преобразователем 5, достигается настройкой характеристики блока линеаризации 2.

Статическая характеристика преобразователя (относительно измеряемого параметра) дана на рис. 46, в.

Сопротивление нагрузки преобразователя не должно превышать 2,5 кОм, а сопротивление линии связи с дифференциально-трансформаторным преобразователем — 20 Ом на каждый провод.

Органы настройки преобразователя выведены на переднюю панель. Ручкой «Корректор» устанавливается нулевое значение выходного тока при нулевом значении измеряемого параметра на входе первичного преобразователя, а ручкой «Чувствительность» — максимальное значение выходного тока (5 мА) при максимальном значении измеряемого параметра.

Для периодического контроля исправности преобразователя на передней панели расположены три пары гнезд. Гнезда «П» служат для контроля напряжения питания первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя (24 В), гнезда «Д» — для контроля его выходного напряжения (от 0 до 2 В), гнезда «В» — для проверки выходного сигнала преобразователя. К гнездам «В» подключается милливольтметр, показания которого должны изменяться от 0 до 102 мВ при изменении выходного тока от 0 до 5 мА.

Дата добавления: 2014-01-14