Первичные приборы систем автоматического контроля и регулирования

Лекция 24.

Основные виды автоматизации технологических процессов термической обработки

В современных термических цехах используют следующие основные виды автома­тизации:

- автоматический контроль и автоматическое регулирование различных техно­логических параметров (температуры, давления и расхода газов и жидкостей, со­отношения топлива и воздуха, состава контролируемых атмосфер и т. д.);

автоматический контроль качества термически обработанных деталей;

- автоматическое управление механизмами и транспортными устройствами (толкатели, вытакиватели, шнеки, рольганги, конвейеры, дверцы печей и т. д.) термического оборудования.

Автоматический контроль технологического процесса применяют для получе­ния информации о ходе процесса по значению одного или нескольких технологи­ческих параметров. Автоматическое регулирование применяют для поддержания требуемого значения технологического параметра на определенном уровне — постоянном во времени или изменяющемся по заданной программе.

Автоматический контроль качества термообработанных деталей заключается в определении получаемых структур, толщины слоя при химико-термической обра­ботке или закалке ТВЧ, твердости и других параметров. Этот контроль чаще всего осуществляется магнитно-электрическими приборами с использованием эталонных образцов.

Автоматическое управление работой термического оборудования осущест­вляется с целью последовательного выполнения различных операций технологи­ческого процесса; автоматизации трудоемких и вредных операций загрузки и вы­грузки деталей при термической обработке с помощью промышленных роботов.

Системы автоматического контроля, регулирования и управления в термиче­ских цехах состоят из различных устройств: датчиков, измерительных, самопи­шущих и регулирующих приборов, исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Датчики. Датчиками называют устройства, обеспечивающие восприятие и преобразо­вание входной величины (контролируемого или регулируемого параметра) в вы­ходной сигнал (электрический или пневматический), удобный для усиления, пере­дачи на расстояние и измерения. Конструктивно датчики состоят из чувствитель­ного элемента и преобразователя.

Чувствительными элементами датчиков обычно служат мембраны, мано­метрические трубки, мембранные коробки, сильфоны и поплавки, которые преоб­разуют измеряемый параметр (давление, расход, уровень) в движущую силу или момент. Чувствительный элемент связан с дифференциально-трансформаторным или ферродинамическим преобразователем (в технической литературе указанные

преобразователи часто называют датчиками). В датчикахГосударственной системы промышленных приборов исредств автоматизации (ГСП), предназначенных дляизмерения давления,расхода и уровня, применяют специальные вторичные преобразователи, основанные на принципе электросиловой или пневмосиловой компенсации. В некоторых случаях (например, в термопарах и термометрах со­противления) чувствительный элемент объединен с преобразователем.

Датчики для измерения температуры. Измерение температуры при термиче­ской обработке осуществляют двумя способами — контактным или бесконтактным. Для контактного способа - измерения температур в качестве датчиков используют термопары и термометры сопротивления. При бесконтактном способе датчиками являются телескопы радиационных или фотоэлектрических пирометров.

Термопары и термометры сопротивления применяют для контроля и регули­рования температуры с помощью широко распространенных вторичных приборов гнпа потенциометров, милливольтметров, мостов и т. п., а также приборов ГСП, измеряющих унифицированный электрический сигнал. При использовании при­боров ГСП сигнал от термопары или термометра сопротивления поступает на спе­циальный промежуточный преобразователь, который преобразует его в унифи­цированный сигнал постоянного тока (0—6 мА) или напряжения (0—10 В).

Термопары представляют собой замкнутую цепь из двух разнородных электро­дов (проводников или полупроводников) со спаянными концами. Если концы электродов (спаи) будут иметь разные температуры, то в замкнутой цепи (термо­паре) возникнет термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой зависит от разности температур концов цепи (горячего и холодного спаев) и природы мате­риалов, образующих данную цепь (термопару). Зная температуру холодного спая и температурную зависимость величины ТЭДС для материалов, составляющих цепь термопары, можно определить температуру горячего спая (температуру из­меряемого объекта).

Для измерения температуры в пределах от —50 до 2500°С применяют термо­пары с металлическими или неметаллическими электродами. Наиболее широкое применение в термических цехах нашли термопары типа ТХА (хромель-алюмель), срок службы которых составляет около 1000 ч при температуре 1000°С в атмосфере воздуха (при этом изменение значения ТЭДС термопары не превы­шает ±1%). Для повышения срока службы термопар с градуировкой ХА разра­ботан новый состав сплавов повышенной (~ в 2 раза) жаростойкости: для положи­тельного электрода — Ni + 9% Си + 0,9% Si (сплав сильх) и отрицательного — Ni — 2,4°o Si (сплав силин). Для повышения точности измерения темпера­туры с помощью термопары температура холодного спая должна быть постоянной. Это достигается термостатированием холодного спая при 0° С (при точных изме­рениях) или переносом холодного спая в зону с постоянной температурой с по­мощью удлинительных (компенсационных) проводов.

Удлинительные провода изготовляют из более дешевых сплавов и с меньшим электросопротивлением, чем электроды термопар. В паре сплавы проводов при нагреве до температур 100—250°С должны развивать такую же ТЭДС (по вели­чине и по знаку), что и основная термопара.

Градуировку термопар обычно производят методом сличения (при помощи образцовой или эталонной термопары) либо путем определения температур плавления (затвердевания) чистых металлов или солей. При градуировке термопары температуру холодного спая поддерживают равной 0°С, используя для этой цели сосуд с тающим льдом. Значения ТЭДС проверяемой термопары и величины по­грешностей оцениваются в соответствии со значениями, предусмотренными стандартом.

Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов или полупроводников менять свое сопротивление при изменении температуры.

Металлическиетермометры сопротивления обеспечивают более высокую (по сравнению с термопарами) точность измерения в интервале температур от —200 до 500^е С. Их недостаток состоит в том, что из-за значительной длины чувствитель­ного элемента они могут применятьсялишь для измерения средней температуры объекта. Выпускаются платиновые ТСП и медные ТСМ термометры сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) по сравнению с металлическимиимеют ряд преимуществ: меньшие размеры, значительно большим (~ в 10 раз) температурный коэффициент электросопротивления; высокую чувствительность и малую инерционность. Срок службы термисторов составляет от 3000 до 10 000 ч.

Промышленностью выпускается около ста типов термисторов, большинство из которых позволяет измерять температуру в сравнительно узком диапазоне: от -60 до +125° С. Кобальтмарганцевые термисторы тигГов К.МТ-1, КМТ-4 дают возможность измерять температуру до +180° С; типов КМТ-14, СТ-18 и СТ-19 до 300° С. Термисторы типа СТЗ-25 имеют температурный диапазон от -100 до +125° С. Термисторы широко применяются в автоматике и могут быть исполь­зованы в практике термической обработки для точных измерений температур от -100 до +300° С.

Датчики для измерения углеродного потенциала контролируемых атмосфер. В практике термической обработки применяют методы прямого и косвенного из­мерения углеродного потенциала атмосферы. Прямой метод основан на определе­нии изменения электросопротивления датчика — тонкой проволоки из техниче­ски чистого железа (фольги), в результате его науглероживания при химико-тер­мической обработке. При этом методе учитываются возможные колебания темпе­ратуры, давления и состава контролируемого газа в печи. Недостатки метода — ограниченные пределы измерения углеродного потенциала (0,2—1,2%) и одноразо­вое действие датчика.

Косвенный метод контроля и регулирования углеродного потенциала заклю­чается в отборе из генератора или печи пробы газа и анализе ее на содержание одного из компонентов газовой смеси. Возможность применения косвенного ме­тода основана на том, что углеродный потенциал эндотермической атмосферы, в которой количество газов СО, Н₂ и N₂ практически постоянно, можно регулиро­вать изменением содержания одного из трех газов: Н₂О, СО₂ и СН₄. В практических условиях углеродный потенциал атмосферы измеряют и регулируют либо по

со­держанию СО₂.

Углеродный потенциал атмосферы можно рассчитать по кислородному по­тенциалу (О₂-потенциалу), если известны температура и концентрация СО в атмо­сфере

Датчики для измерения точки росы. Датчик конструкции НИИТАвтопрома представляет собой кварцевую трубку, обмотанную слоем стеклоткани, про­питанной раствором хлористого лития. Поверх стеклоткани намотаны два изоли­рованных один от другого электрода из платиновой проволочки, к которым под­ведено переменное напряжение. При контакте датчика с газом, содержащим водя­ные пары, хлористый литий вследствие своей гигроскопичности поглощает воду, образуя электролит. При этом между электродами проходит электрический ток, что приводит к повышению температуры датчика и испарению влаги из электро­лита. Когда содержание влаги в датчике становится меньше, чем в окружающем газе, снова начинается процесс поглощения водяных паров и нагрев датчика. Поглощение и испарение влаги датчиком продолжается до тех пор, пока между влажностью газа и количеством влаги в хлористом литии не установится при опре­деленной температуре динамическое равновесие. Температура равновесия (точки росы) измеряется медным термометром сопротивления, помещенным внутри квар­цевой трубки и подключенным к электронному мосту.

Эбонитовый датчик представляет собой пористый эбонитовый стержень, про­питанный хлористым литием. В зависимости от влажности пробы газа сопротивле­ние датчика, измеряемое электронным мостом, изменяется от 10^s до 10¹² Ом. Эти датчики не могут быть использованы для измерения и регулирования углеродного потенциала при нитроцементации, так как хлористый литий взаимодействует с аммиаком атмосферы, и датчики выходят из строя.

Датчик кислородного потенциала представляет собой твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ), обладающую кислородно-анионной проводимостью. Внешний элек­трод датчика, представляющий собой запаянную трубку из твердого раствора окиси кальция в двуокиси циркония, находится в атмосфере анализируемого газа. К внутреннему (эталонному) электроду датчика подается воздух с извест­ным кислородным потенциалом. Между внутренним и внешним электродами датчика возникает разность потенциалов, зависящая от концентрации кислорода в воздухе и анализируемом газе, которая измеряется вторичным прибором.

Датчики для измерения давления и расхода жидкостей и газов. Для измерения давления (абсолютного, избыточного или вакуума) и расхода (по перепаду давле­ния) жидкостей и газов применяют датчики с электрическим выходным сигналом переменного тока или датчики ГСП с унифицированным выходным сигналом.

Датчики с электрическим выходным сигналом переменного тока и с дифференциально-трансформаторными преобразователями используются в ком­плекте с вторичными автоматическими электронными приборами с дифференци­ально-трансформаторной измерительной схемой. Датчики с ферродинамическими преобразователями работают в комплекте с вто­ричными автоматическими приборами с ферродинамической измерительной схемой.

Датчики ГСП по виду унифицированного выходного сигнала подразделяются на датчики с электрическим токовым и пневматическим выходными сигналами ди­станционной передачи. Датчики ГСП применяют для измерения перепада давле­ния или расхода жидкостей и газов в комплекте с вторичными приборами и регуляторами, работающими от унифицированного электрического или пневматического сигналов.

Преобразовазователи датчиков. Преобразователями датчиков называют устройства, обеспечивающие преоб­разование сигнала от чувствительного элемента датчика в пропорциональное величине сигнала напряжение (ЭДС) переменного тока или унифицированный то­ковый (пневматический) сигнал (для датчиков ГСП). Сигналом от чувствительного элемента может служить линейное перемещение плунжера (в дифференциально-трансформаторных преобразователях) или угол поворота рамки (в ферродинамических преобразователях). В преобразователях датчи­ков ГСП чаще всего используется метод силовой ком­пенсации.

Дифференциально-трансформаторный преобразова­тель. Такой преобразователь состоит из дифферен­циального трансформатора (катушки), плунжера, одной первичной и двух вторичных обмоток. Если плунжер расположен симметрично относительно вторичных об­моток, то наводимые в них ЭДС равны, но противопо­ложны по знаку. В этом случае выходной сигнал преоб­разователя равен нулю. При перемещении плунжера вверх или вниз от среднего положения соответственно изменяется величина и знак выходного сигнала.

Ферродинамический преобразователь (рис.32). В состав преобразователя вхо­дят магнитопровод, включающий ярмо 1, плунжер 5 и сердечник 3 с агатовыми подпятниками, в которых поворачивается на стальных кернах подвижная рамка 4. На магннтопроводе расположена катушка 2 с обмотками возбуждения (в некото­рых типах преобразователей наряду с обмоткой возбуждения имеется одна или две обмотки смещения). Обмотка возбуждения подключается к источнику пере­менного тока частотой 50 Гц и напряжением 60 или 12 В.

Рис.32. Схема ферродинамического преобразо­вателя

Переменный ток обмотки возбуждения создает магнитный поток, индукти­рующий в подвижной рамке ЭДС величиной 1—0—1 В (ЭДС зависит от угла пово­рота рамки относительно оси N—N). При наличии в ней обмотки смещения индук­тируетсяЭДС величиной1 В. Промышленностью выпускается несколько модификаций ферродинамических преобразователей типа ПФ с напряжением выходного сигнала 1—0—1 В, а также от 0 до 2 В (при одной обмотке смещения) или от 1 до 3 В (при двух обмотках сме­щения). Для преобразования выходного сигнала ферродинамических преобразо­вателей в унифицированный сигнал постоянного тока или напряжения используют дополнительные преобразователи типа ПФТ (0—5 и 0—1 мА) или ПФН (0—3 и 0—10 В).

Дата добавления: 2014-01-04