Привет студент

Развитие современных средств автоматизации характеризуется широким использованием полупроводниковых материалов. Полупроводники могут применяться для преобразования некоторых физических величин в электрический сигнал. На базе полупроводниковых диодов и транзисторов строят электронные схемы для усиления, передачи и преобразования электрических сигналов. Отличительной чертой таких схем является компактность, что особенно важно для судовых условий.

Полупроводниковые материалы. К полупроводниковым материалам относятся вещества, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре находится в пределах от, 10^-3 до 10⁹ Ом-м. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Наиболее широкое применение находят германий Ge и кремний St. Оба они относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева. Атомы их имеют на своей внешней оболочке по 4 валентных электрона.

Кристаллическая решетка четырехвалентных элементов имеет вид тетраэдра, как у алмаза. В углах и центре тетраэдра располагаются атомы. Каждый угловой атом является центральным для Других четырех ближайших. атомов. Расстояние до всех остальных атомов значительно больше. Связь каждого атома в кристалле с четырьмя соседними атомами осуществляется восемью электронами, из которых четыре «собственных», а четыре «чужих» — по одному от каждого соседнего атома. Поэтому при низкой температуре все валентные электроны. связаны, свободных электронов нет, и кристалл не может проводить электрический ток.

Принцип действия тахометров основан на преобразовании частоты вращения в механические или электрические выходные сигналы. В соответствии с этим получили распространение механические и электрические тахометры.

Механический тахометр. Это несложный по конструкции портативный прибор, который имеет широкое распространение для измерения частоты вращения.

Два груза с одинаковыми массами расположены на плоских пружинах, которые с одного конца прикрепляются к вращающемуся валу, а с другого — к скользящей втулке (рис. 15.15). Скользящая втулка через зубчатый сектор соединяется со стрелкой показывающего прибора. Изменение частоты вращения вала вызывает изменение центробежной силы грузов, которая уравновешивается силой поджатия цилиндрической и плоской пружин при перемещении скользящей втулки. Перемещение скользящей втулки пропорционально изменению частоты вращения и регистрируется по шкале прибора, которая отградуирована в единицах частоты вращения.

Электрические тахометры. Магнитоиндукционный тахометр состоит из алюминиевой чашки, которая вращается в магнитом поле изолированного чугунного статора (рис. 15.16). В статоре под углом 90^о одна к другой расположены две пары катушек индуктивности. Под действием электромагнитного поля одной пары катушек статора во вращающейся алюминиевой чаше индуктируются вихревые точки, создающие свое магнитное поле, благодаря которому появляется э. д. с. в другой паре катушек статора. Значение этой э. д. с. пропорционально частоте вращения и может быть измерено вольтметром, шкала которого отградуирована в единицах частоты вращения.

Исполнительные устройства систем управления и регулирования воздействуют на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Они состоят из исполнительного механизма и исполнительного органа. Исполнительный механизм преобразует полученную энергию в перестановочное усилие исполнительного органа. Перемещение исполнительного органа чаще всего изменяет расход рабочей среды или направление движения ее. Воздействие исполнительного органа на поток проходящей среды может быть дискретным (позиционным) или плавным (регулирующим) в зависимости от конструкции проточной части и типа исполнительного механизма. По виду используемой энергии исполнительные механизмы делятся на пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные. Вид энергии, создающей перестановочное усилие, может не совпадать с видом энергии носителя командной информации. В этом случае исполнительный механизм функционирует в комплекте с преобразователем, или позиционером.

Пневматические исполнительные механизмы преобразуют давление сжатого воздуха в перемещение затвора исполнительного органа. В зависимости от конструкции преобразующего элемента различают мембранные, поршневые и лопастные исполнительные механизмы. На судах применяют в основном исполнительные устройства с мембранными исполнительными механизмами. К ним относятся главным образом запорные, смесительные и разделительные пневмоклапаны.

Поплавковые измерители уровня. Они представляют собой обычно пустотелый шар или цилиндр, движение которого при изменении уровня жидкости передается на показывающий прибор. В качестве промежуточной передачи от поплавка к стрелке показывающего прибора используются механические рычажные системы. Поплавковые сигнализаторы в комплексе с электрическим контактором или прерывателем используются для включения и выключения насосов при крайних значениях уровня.

Смотровое или измерительное стекло. Для измерения уровня жидкости в цистернах применяются смотровые стекла различных типов. Для измерения уровня воды в котлах используются водомерные стекла.

Пневмеркаторный измеритель уровня. Это извещатель, в котором для измерения уровня в танке используется ртутный манометр в сочетании с полусферическим раструбом и системой трубопроводов (рис. 15.10). Полусферический раструб находится около днища танка и соединяется через трубопровод небольшого сечения с ртутным манометром. С помощью переключающего крана можно подключить один манометр к нескольким танкам, обычно к двум. К трехходовому крану подходят трубопроводы: от измерителя; подачи силового воздуха; выпуска воздуха из прибора в атмосферу. Если трехходовой кран поставить в положение «Воздух», то система прибора заполняется сжатым воздухом. Затем трехходовой кран ставят в положение «Измерение»; при этом воздух подается через трехходовой кран к ртутному манометру и через переключающий кран — в один из танков, а давление воздуха, вытесняющего жидкость из трубки в танке, пропорционально уровню жидкости в нем. Это давление измеряется ртутным манометром со шкалой, отградуированной в единицах уровня.

Температура измеряется с помощью приборов в градусах Цельсия (°С). Обычно это шкальные показывающие приборы для всех значений температур. Абсолютные температуры используются в теоретических вычислениях, включающих газовые законы (см. приложение 3).

Жидкостный стеклянный термометр (рис. 15.6). С помощью различных жидкостей, применяемых в приборе этого типа, можно измерять температуры в различных диапазонах. Например, с помощью ртутных термометров — от —35 до +50°С, спиртовых — от —80 до +70°С. Для измерения температур с высокими значениями используются термометры с газовым наполнителем, которым обычно является азот с низким давлением.

Манометрический термометр с жидкостным наполнителем. В приборе используется металлический термобаллон и капилляр с трубкой Бурдона, заполненные жидкостью, благодаря чему обеспечивается достаточная прочность прибора и можно производить измерения в широких пределах. Например, при использовании ртути в качестве наполнителя обеспечивается диапазон измерений от —39 до +650°С. Трубка Бурдона может быть спиральной или геликоидальной формы и при увеличении температуры стремится выпрямиться. Смещение свободного конца трубки с помощью шарнирного соединения преобразуется в движение стрелки показывающего прибора.

Различают давление абсолютное и манометрическое, значения которых можно определить, используя измерительные приборы соответствующих типов. Абсолютное давление — это значение давления, измеряемое от нулевой точки шкалы давлений. Манометрическое давление — это избыточное давление, измеряемое от атмосферного давления. Если к манометрическому давлению прибавить атмосферное, то получим значение абсолютного давления.

Манометр. На рис. 15.1 показан U-образный трубчатый манометр. Один конец U-образной трубки подсоединяется к источнику измеряемого давления, а другой соединен с атмосферой. Трубка заполнена водой или ртутью. Разница в положении менисков трубки является показанием прибора, который измеряет избыточное или манометрическое давление. Прибор используется для измерения низких значений давлений и, в частности, атмосферного давления воздуха.

Рис. 15.1. U-образный трубчатый манометр:

1 — жидкость; 2 — шкала; p_h — давление в системе; р_атм — атмосферное давление; h — манометрическое значение давления в системе

С помощью гибкой системы генератор-двигатель (Вард-Леонарда), которая не имеет себе подобных, можно надежно регулировать частоту вращения якоря двигателя.

 

Рис. 14.13. Система контроля частоты вращения генератор-двигатель (Вард-Лео-

нарда):

1 — выпрямитель; 2 — трансформатор; 3 — приводной двигатель переменного тока; 4 — генератор постоянного тока; 5 — обмотка возбуждения генератора; 6 — обмотка возбуждения двигателя; 7 — исполнительный двигатель постоянного тока; 8 — реостат управления

Свинцово-кислотные батареи. Эти батареи состоят из набора элементов, каждый из которых имеет положительную пластину из перекиси свинца и отрицательную свинцовую пластину. Обе пластины помещены в раствор серной кислоты, которая является хорошим электролитом. Между этими двумя пластинами возникает разность потенциалов, и если к выводам пластин подсоединить нагрузку, то в цепи появится ток. Начальное напряжение на выводах одного элемента составляет 2,2 В, затем оно стабилизируется до значения 2 В. Набор из шести последовательно соединенных элементов образует батарею, которая имеет напряжение 12 В. Батарея помещается в прочный корпус, изготовленный из пластика, твердой резины или битумной массы. В заряженном состоянии в батарее присутствуют свинец, перекись водорода и серная кислота. За время работы батареи часть свинца и перекиси водорода переходит в сульфат свинца и воду. Во время этой реакции, происходящей при разрядке батареи, у серной кислоты уменьшается плотность. Когда батарея заряжается, происходят химические реакции, в результате которых пластины приобретают первоначальное состояние, а вода переходит в газообразный водород и испаряется.

Щелочные батареи. Эти батареи состоят из положительной пластины из перекиси никеля и отрицательной железно-кадмиевой пластины, которые погружены в раствор перекиси калия. Напряжение на выводах одного элемента составляет примерно 1,4 В. Набор батареи из пяти элементов обеспечивает напряжение 7 В.

Если через свободно вращающуюся в магнитном поле катушку с проводами пропускать переменный ток, то вращающий момент не возникнет, так как ток постоянно изменяет направление. По такому принципу работает асинхронный короткозамкнутый двигатель, в котором три раздельные фазные обмотки статора создают вращающееся магнитное поле. Ротор состоит из медных проводников, расположенных по кругу параллельно его оси и закрепленных на концах кольцами для создания клетки. При пуске двигателя вращающееся магнитное поле наводит э. д. с. в клетке и, следовательно, появляется ток. Проводник ротора, по которому протекает ток в магнитном поле, создает вращающий момент для ротора. Частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора двигателя зависит от э.д. с., наведенной в роторе, а последняя зависит от скольжения ротора относительно магнитного поля статора. С увеличением нагрузки частота вращения ротора уменьшается, вызывая увеличение индуцируемой э. д. с., следовательно, вращающий момент несколько увеличивается. Двигатель имеет практически постоянную частоту вращения ротора при всех изменениях нагрузки. При пуске двигателя начальный пусковой момент вращения в 2 раза больше номинального, а пусковой ток превышает номинальный в 6 раз. Пусковой ток можно уменьшить, если применить двухклеточную конструкцию ротора: две раздельные клетки одна над другой. В начальный момент вращения через внешнюю высокоомную клетку протекает почти весь ток ротора. Далее после разгона ротора двигателя больший ток будет протекать через внутреннюю низкоомную клетку.

Датчики, сигнализаторы и регуляторы давления

В соответствии с ГОСТ 19176—80 устройство, преобразующее информацию о состоянии объекта или внешней среды в сигнал установленного уровня, пригодный для дальнейшей обработки в системе управления, называется источником информации. Датчик является источником информации, выходной сигнал которого соответствует текущему значению контролируемого параметра объекта. Сигнализатор — это источник информации, выходной сигнал которого дискретно изменяется при достижении контролируемым параметром объекта заданных значений.

Для преобразования давления среды в перемещение стрелки, рычага или штока используется деформация или изгибающий момент упругих элементов. Такими элементами могут быть металлические и неметаллические мембраны, мембранные коробки и блоки, сильфоны, трубчатые пружины. Перемещение определенной точки их зависит от давления или разности давлений.

Применяемые в судовых холодильных установках устройства для преобразования давления или разности давлений делятся на манометры, датчики, сигнализаторы и регуляторы. В манометрах подвижная точка упругого элемента через систему кинематики соединяется со стрелкой, Если упругий элемент воздействует на движок реохорда, то получается датчик давления с электрическим выходным сигналом. В сигнализаторах давления упругий элемент через систему рычагов и пружин переключает электрические- контакты. Регуляторы давления усилие упругого элемента используют для перемещения затвора и соответствующего изменения расхода протекающей среды. Подробно принцип действия указанных приборов описан в книгах. Ниже приводятся технические характеристики и особенности работы иностранных приборов, широко применяемых на судах.