7. Первичные преобразователи с неэлектрическим выходным сигналом

Большинство неэлектрических величин, которые необходимо измерять и регулировать в системах автоматики, удобно преобразовать в механическое перемещение, а уже затем механическое перемещение преобразуется в электрический сигнал. На рис. 16—25 показаны примеры первичных преобразователей различных физических величин в механическое перемещение.

Давление определяется по упругой деформации сильфона, мембраны или трубчатой пружины, соответственно для малого, среднего и большого давления.

Сильфон(рис. 16) представляет собой тонкостенную (обычно металлическую) цилиндрическую оболочку с поперечной гофрированной боковой поверхностью. Сильфон расширяется или сжимается подобно пружине вдоль оси под действием разности давления внутри и снаружи.

Мембрана (рис. 17) представляет собой закрепленную по контуру обычно круглую пластину, которая изгибается под действием давления газа или жидкости. Трубчатая пружина (рис. 18) изготавливается из металла (латунь, сталь и др.), обычно в поперечном сечении имеет овальную форму. Под действием избыточного давления трубчатая пружина стремится разогнуться. В зависимости от используемого чувствительного элемента различают сильфонные, мембранные, трубчатые и иные манометры.

Рис. 16. Сильфон

Рис. 17. Мембрана

Рис. 18. Трубчатый манометр

Температура определяется по изгибу биметаллической пружины, давлению жидкости или газа, заполняющих баллон манометрического термометра. Биметаллическая пружина (рис. 19) представляет собой двухслойную пластину, изготовленную из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При нагревании пластина изгибается в сторону того слоя, материал которого имеет меньший коэффициент. Обычно в качестве такого материала применяют специальный сплав — инвар.

Принцип действия манометрического термометра поясняется на рис. 20. При нагревании баллона с газом его давление увеличивается и сильфон расширяется.

Уровень определяется по перемещению поплавка (рис. 21). Кстати, именно такого типа уровнемер использовал И. И. Ползунов в изобретенной им в 1763 году паровой машине для автоматического регулирования уровня воды в котле.

Расход измеряется по перемещению поплавка в трубке переменного сечения. Такой расходомер называют ротаметром (рис. 22). Поплавок ротаметра обычно выполнен из металла и в неподвижной жидкости он тонет. Но при движении жидкости снизу вверх поплавок подымается, чтобы обеспечить большее поперечное сечение для прохода жидкости. Чем больше расход, тем выше должен подняться поплавок.

Рис. 19 Биметаллическая пластина

Рис. 20. Манометрический термометр

Рис. 21. Поплавковый уровнемер

Очень часто расход определяют по перепаду давлений до и после сужающего устройства в трубопроводе. Чем больше расход, тем больше падение давления в сужающем устройстве, но эти величины связаны между собой нелинейной (квадратичной) зависимостью. Подобные расходомеры называют еще дифференциальными манометрами (рис. 23).

Усилие определяется по величине упругой деформации пластины (рис. 24) или витой пружины. Пружинные весы знакомы всем.

Плотность определяется по глубине погружения поплавка. Такой прибор называют ареометром (рис. 25) Принцип действия его основан на законе Архимеда.

Рис. 22 Расходомер-ротаметр

Рис. 23. Расходомер-дифференциальный манометр

Рис. 24. Преобразование силы в перемещение

Рис. 25. Ареометр

Результаты измерения давления, температуры, уровня, расхода, силы, плотности могут быть получены на шкале прибора для местного измерения. Но в системах автоматического управления обычно требуется передавать результаты измерения на расстояние, т. е. осуществлять дистанционное измерение. В нашей стране существует агрегатная унифицированная система(АУС) — система пневматических средств автоматизации общепромышленного назначения. Эта система построена по агрегатному принципу, т. е. представляет собой набор отдельных функциональных блоков (датчиков, усилителей, исполнительных механизмов, преобразователей и др.), входные и выходные параметры которых унифицированы. Поэтому из таких блоков могут быть построены самые различные системы автоматики. В качестве унифицированного (единого) сигнала в пневматической АУС принято давление сжатого воздуха, изменяющееся в диапазоне 2—10 кПа избыточных. Для преобразования различных измеряемых физических величин в давление служат соответствующие приборы с пневматическим выходным сигналом. Как видно из рассмотренных на рис. 16—25 примеров многие физические величины могут быть преобразованы в перемещение. Преобразование перемещения в давление может осуществляться с помощью заслонки, изменяющей проходное сечение сопла, через которое подается давление воздуха. В пневматической АУС для питания блоков используется очищенный сжатый воздух с избыточным давлением 14 кПа. Для электрических измерений с помощью первичных измерителей (чувствительных элементов), показанных на рис. 16—25, используются различные датчики перемещения. А для применения устройств АУС в схемах с электрическими приборами в ней предусмотрены пневмоэлектрические и электропневматические преобразователи.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ