Понятие и назначение измерительных преобразователей - датчиков, принцип их действия и выполняемые функции, возможности и основные элементы. Классификация источников первичной информации. Датчики измерения технологических переменных.
Аннотация к работе
В одних случаях сигналы возникают непосредственно вследствие протекающих при управлении процессов (изменения тока, напряжения, температуры, давления, наличия механических перемещений и т.д.), в других случаях они вырабатываются чувствительными элементами или датчиками. Например, некоторые датчики, называемые элементами, в действительности являются совокупностью элементов, объединенных единой схемой соединения, обеспечивающих воспроизведение контролируемой величины и преобразование ее в другую величину, более удобную для передачи по линиям связи. При прямом методе датчик, преобразующий усилие в электрический сигнал, стремятся сконструировать таким образом, чтобы вся измеряемая сила замыкалась на датчик, т.е. датчик деформировался бы под действием полной силы. При прямом методе усилие прокатки измеряют датчиками 1, установленными над гайкой нажимного винта, датчиками 2, установленными между торцом нажимного винта и подушкой верхнего опорного валка, и датчиками 3, установленными между станиной и подушкой нижнего опорного валка. Поскольку изменение сопротивления тензорезисторов, вызванное деформацией, весьма мало и колеблется от единиц миллиом до нескольких десятых долей ома, то для измерений применяют высокочувствительные потенциометрические и мостовые схемы (рис.
Введение
Важнейшим фактором повышения эффективности прокатного производства в металлургической промышленности является развитие систем автоматического управления (САУ), как технологическим оборудованием, так и всем технологическим процессом в целом. Прокатное производство является сложным, консервативным процессом в металлургии, так как используется дорогостоящее технологическое оборудование, работающее в сложной агрессивной среде.
Современные прокатные клети, станы оснащаются передовыми технологиями первичного сбора, преобразования и использования технической и технологической информации для повышения производительности и качества выпускаемой продукции.
В зависимости от выполняемых функций элементы САУ можно разделить на три группы: источники первичной информации (датчики), промежуточные и исполнительные устройства.
В системах автоматического управления в качестве сигналов обычно используются электрические и механические величины (например, постоянный ток, напряжение, давление сжатого газа или жидкости, усилие и т.п.), так как они позволяют легко осуществлять преобразование, сравнение, передачу на расстояние и хранение информации. В одних случаях сигналы возникают непосредственно вследствие протекающих при управлении процессов (изменения тока, напряжения, температуры, давления, наличия механических перемещений и т.д.), в других случаях они вырабатываются чувствительными элементами или датчиками.
Соответственно операциям, производимым с сигналами информации в автоматических устройствах, можно выделить функциональные ячейки - элементы. Элемент это простейшая в функциональном отношении ячейка (устройство, схема), предназначенная для выполнения очень простой по сути дела одной операции с сигналом.
Несмотря на простоту понятия элемента и происходящих в нем процессов, до сих пор во многих случаях существуют трудности не только в формировании понятия элемента, но и в терминологии.
Часто элементы отождествляются с устройствами, в состав которых входят несколько элементов. Например, некоторые датчики, называемые элементами, в действительности являются совокупностью элементов, объединенных единой схемой соединения, обеспечивающих воспроизведение контролируемой величины и преобразование ее в другую величину, более удобную для передачи по линиям связи.
1. Основные понятия и характеристики датчиков
Первичные измерительные преобразователи (в дальнейшем будем называть их датчиками) - это устройства, предназначенные для получения первичной рабочей информации о состоянии объекта. Они преобразуют физическую величину, характеризующую состояние объекта, в величину другого вида более удобного для передачи и дальнейшего преобразования.
В зависимости от принципа производимого датчиком преобразования (преобразования входной величины в выходную) их подразделяют в основном на два типа: параметрические и генераторные.
Параметрические (пассивные) - это датчики, в которых изменение контролируемой величины х (рис. 1) сопровождается соответствующими изменениями активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Наличие постороннего источника энергии вида z (рис. 1, б) является обязательным условием работы параметрического датчика. Параметрические датчики обычно подключаются по схеме Уитстона [3], которая представлена на рис. 4.
Рис. 1. Схема Уитстона
Переменный элемент Х (переменное плечо мостовой схемы) под действием физической величины изменяет свой параметр и тем самым разбалансирует схему включения других элементов R (постоянные плечи мостовой схемы). Схема питается от дополнительного источника энергии Г (например, генератора).
Генераторные (или активные) - это датчики, в которых изменение контролируемой величины х сопровождается соответствующими изменениями электродвижущей силы (ЭДС) на выходе датчика (например, возникновение ЭДС может происходить вследствие термо-, пьезо-, фотоэффекта и других явлений, вызывающих появление электрических зарядов). Эти датчики выполняются по схеме, приведенной на рис. 1, а, т.е. они не требуют дополнительного источника энергии вида z, так как энергия на выходе элемента полностью берется с его входа (вследствие чего мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала).
В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины различают датчики механические, тепловые, оптические и др. Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием, т.е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величина - механическое перемещение - электрическая величина. Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или источником первичной информации (ИПИ). Например, давление преобразуется в перемещение стрелки манометра ПИ, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (проволочный, резистивный (или реостатный) датчики и др.).
Наиболее целостно о разнообразии ИПИ отражено в ее классификации.
2. Классификация источников первичной информации
В настоящее время существует множество разнообразных по принципу действия и назначению ИПИ. Непрерывное развитие науки, техники и технологии приводит к появлению все новых источников первичной информации. Разобраться в этом многообразии помогают различные классификации. Создать универсальную классификацию, удовлетворяющую запросам всех возможных пользователей конкретной предметной области, - задача практически неразрешимая [1].
В качестве классификационных признаков ИПИ можно принять многие характеристики преобразователей: по виду используемой энергии, по виду входной и выходной величин, по принципу действия, по конструктивному исполнению, по типу переменных объекта управления и т.д.
Классификация: 1. По виду используемой энергии ИПИ можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические.
2. По соотношению между входной и выходной величинами бывают различные виды ИПИ, например, электрический вход - неэлектрический выход; электрический вход - гидравлический выход и т.п.
3. В зависимости от вида выходного сигнала различают ИПИ аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.
4. По виду структурной схемы различают преобразователи прямого однократного преобразования, последовательного прямого преобразования, дифференциальные, с обратной связью (компенсационная схема).
5. По характеру преобразования входной величины в выходную ИПИ подразделяются на параметрические, генераторные, частотные, фазовые.
6. По виду измеряемой физической величины различают ИПИ линейных и угловых перемещений.
По физическим явлениям, положенным в основу принципа действия, в ГСП принята следующая классификация ИПИ: - механические - с упругим чувствительным элементом, дроссельные, ротаметрические, объемные, поплавковые, скоростные;
- электронные и ионизационные, индукционные, хроматографические, радиоизотопные, магнитные.
- по типу переменных объекта управления (часто используется в прокатном производстве) - датчики технологических переменных (температура, толщина проката и др.) и устройств управления (положением валков, скоростью вращения валков и др.)
3. Датчики измерения технологических переменных
Из всего многообразия источников измерения первичной информации, в металлургии, датчики измерения технологических переменных занимают особое место. Дело заключается в том, что информация о параметрах проката, сорта, одним словом, заготовки представляет особый интерес. Эта информация необходима как для проведения технологического процесса изготовления заготовки или конечного продукта, так и для управления структур металлургического предприятия. Одним словом она необходима в современных информационных технологиях, которая применяется, как в АСУ ТП, так и в АСУ П.
3.1 Измерение усилий прокатки
Измерение усилия прокатки производится обычно прямым методом, однако иногда используется и косвенный метод.
При прямом методе датчик, преобразующий усилие в электрический сигнал, стремятся сконструировать таким образом, чтобы вся измеряемая сила замыкалась на датчик, т.е. датчик деформировался бы под действием полной силы.
На рис. 2 приведены схемы установки датчиков усилия прокатки в четырехвалковой клети. При прямом методе усилие прокатки измеряют датчиками 1, установленными над гайкой нажимного винта, датчиками 2, установленными между торцом нажимного винта и подушкой верхнего опорного валка, и датчиками 3, установленными между станиной и подушкой нижнего опорного валка. Усилие прокатки косвенным методом измеряют при помощи тензометра 4.
Погрешность датчиков, установленных над верхней - 2 (Рис. 2), и под нижней - 3 опорными подушками валка, существенно меньше, чем при установке их над гайкой нажимного винта - 1. Однако при установке датчика под подушкой нижнего опорного валка не удается получить достаточной равномерности распределения нагрузки по его рабочей поверхности. Обычно предпочитают устанавливать датчик над верхней опорной подушкой.
Способы преобразования деформации в электрический сигнал можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся способы, основанные на измерении деформации какой-либо базовой длины нагружаемого элемента под действием измеряемой силы. Для этого на поверхности этого элемента закрепляют тем или иным способом преобразователи деформации в электрический сигнал.
Ко второй группе относятся способы, основанные на изменении каких-либо свойств нагружаемого элемента. К этой группе относятся все типы магнитоупругих преобразователей, в которых под действием механических напряжений происходит изменение магнитных свойств, а также полупроводниковые и тензорезисторные преобразователи, если они непосредственно воспринимают нагрузку, а не деформацию какого-то узла. В настоящее время в прокатном производстве нашли место прецизионные датчики усилия, которые используют такие физические явления, как магнитострикция, прямой и обратный пьезоэффект и др.
Датчики усилия на тензометрическом преобразователе. В основе работы тензометрических датчиков (тензорезисторов) лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых или полупроводниковых материалов при их механической деформации.
Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствителъности S, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника: ,
где ; - приращение сопротивления при изменении длины l на ; Е - модуль упругости материала; - механическое напряжение.
Изменение сопротивления составляет
, где - относительное удлинение тензорезистора;
R - начальное сопротивление тензорезистора.
Для высокоомных проводников, например, коэффициент тензочувствительности считается постоянным и равен S = 1,9…2,9 [3].
Для обеспечения длительной работы без разрушения относительные деформации упругого элемента не должны превышать одной - двух тысячных, при которых измерение сопротивления составляет 0,1…0,2%. Точное измерение таких величин является сложной задачей. Такой датчик относится к параметрическим датчикам и поэтому наиболее распространена мостовая схема измерения (рис. 1).
Измерители усилия прокатки с упругими цилиндрическими элементами с тензорезисторными преобразователями изготавливает английская фирма, «Davy Instruments». Эти датчики имеют относительно большую высоту, что зачастую препятствует их применению. Для упругого цилиндрического элемента погрешность, связанная с изменением распределения нагрузки на его рабочей поверхности при работе на стане, укладывается в приемлемые рамки, если отношение высоты цилиндра к его диаметру не меньше двух. При неравномерном нагружении рабочей поверхности боковые поверхности цилиндра и его центр деформируются неодинаково: в одном случае более загруженным может быть центр, а в другом - периферия.
Для уменьшения погрешности, связанной с изменением характера распределения удельных нагрузок, канадская фирма «Kelk» применяет распределение тензорезисторных преобразователей по поперечному сечению цилиндра.
Подобного распределения можно добиться, если изготавливать упругий элемент в виде кольца и наклеивать тензорезисторы на его внешних и внутренних поверхностях. Измерители усилия с упругими элементами в форме кольца изготавливает ВНИИМЕТМАШ.
Датчики ВНИИМЕТМАША серии М выпускаются на усилия 0,1…20 МН.
В качестве тензорезистивного материала можно использовать сплавы с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) (манганин, константан, нихром, никелин), платиносеребрянные и платиновольфрамовые полупроводниковые материалы (германий, кремний). Наиболее распространены тензорезисторы, выполненные из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые.
Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002…0,05 мм, которую укладывают частыми петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней (рис. 4, а). К концам проволоки припаивают или приваривают медные выводы. Сверху преобразователь покрывают лаком. Материал для пленки выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Резисторы на пленке из клея БФ-2 работают в диапазоне температур от -40 до 70 °С, а на бакелитовом лаке - до 200 °С. Для более высоких температур используют специальные высокотемпературные клеи или цементы.
Рис. 4. Проволочные (а) и фольговые(б) тензорезисторы
Наиболее часто используют преобразователи с базой (длиной петель) 5…20 мм, обладающие сопротивлением 30…500 Ом. Их номинальный рабочий ток, определяемый условиями отвода выделяемых в них потерь энергии, находится в пределах десятков миллиампер. Максимально допустимые относительные деформации не превышают 0,3%.
Фольговые преобразователи (рис. 4, б) более совершенны, чем проволочные. Они имеют решетку из тонкой фольги прямоугольного сечения толщиной 4…12 мкм. Благодаря большей площади контакта полосок фольгового тензорезистора с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что позволяет увеличить ток до 0,5 А, и тем самым повысить чувствительность тензопреобразователя.
Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных преимуществ: их чувствительность в 50…60 раз превышает чувствительность проволочных, размеры их существенно малы, а уровень выходного сигнала позволяет использовать его без дополнительных дорогостоящих усилителей. Основным их отличием от проволочных является их большое (до 50%) изменение сопротивления чувствительного элемента при деформации.
Поскольку изменение сопротивления тензорезисторов, вызванное деформацией, весьма мало и колеблется от единиц миллиом до нескольких десятых долей ома, то для измерений применяют высокочувствительные потенциометрические и мостовые схемы (рис. 1). Чтобы повысить чувствительность тензорезисторов, их можно включать в два и даже четыре плеча мостовой схемы. Датчики усилия на тензометрическом преобразователе имеют достоинства и недостатки.
Достоинства: высокие метрологические характеристики, особенно по линейности.
К недостаткам тензометрических датчиков следует отнести: малую механическую прочность и гибкость (для полупроводниковых), малая выходная мощность (для тензорезисторных), которая не превышает обычно 5 10-6Вт. Высокая влажность, наличие паров и изменение температуры агрессивных сред обусловливают постепенное уменьшение сопротивления изоляции как самих тензорезисторов, так и кабелей, соединяющих тензометрический мост с устройствами питания и измерения. Это все ведет к снижению технических показателей датчика силы.
Перечисленные факторы практически не сказываются на точности и работоспособности магнитоупругих силоизмерительных датчиков.
Магнитоупругие силоизмерители
Магнитоупругие силоизмерители основаны на явление магнитострикция, которая проявляется в изменении размеров ферромагнитного тела под действием внешнего магнитного поля. Магнитострикция бывает объемная и линейная. Линейная характеризуется коэффициентом линейного расширения ., а объемная объемным. Существуют материалы, как с положительной, так и с отрицательной магнитострикцией.
Изменение магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием упругих напряжений, возникающих, в частности, вследствие нагружения измеряемой силой, называется магнитоупругим эффектом. Для ферромагнитных материалов, работающих при малых значениях напряженности магнитного поля Н, т.е. при отсутствии насыщения, относительное изменение магнитной проницаемости выражается формулой
, где - механическое напряжение; - начальная магнитная проницаемость;
- начальный коэффициент магнитострикции; - магнитная проницаемость в материале при наличии механических напряжений.
Магнитоупругий эффект проявляется векторно и обусловливает изменение анизотропии в ферромагнетике. Направление изменения магнитных свойств определяется свойствами ферромагнетика и знаком механических напряжений. Например, в сплавах железа, имеющих положительную магнитострикцию, отрицательные (сжимающие) механические напряжения приводят к уменьшению магнитной проницаемости в направлении действия напряжений и к росту проницаемости в перпендикулярном направлении.
Магнитоупругие датчики, показания которых определяются степенью анизотропии магнитной проницаемости упругого элемента, называются магнитоанизотропными. Они применяются для измерения больших усилий. Такие датчики могут изготавливаться из одной или нескольких последовательно соединенных секций. Односекционный магнитоанизотропный датчик представлен на рис. 5. Через четыре отверстия в теле датчика намотаны две взаимно перпендикулярные обмотки, к одной из которых подводится напряжение переменного тока. Вторая обмотка служит измерительной. К ней подключается вольтметр или другое измерительное устройство.
При отсутствии измеряемого усилия материал датчика изотропен, магнитные силовые линии поля не пересекают плоскость вторичной обмотки и э. д. с. в ней не наводится (рис. 5, б). Иначе говоря, вектор магнитной индукции лежит в плоскости вторичной обмотки. Измеряемая сила Р, создавая механические напряжения в магнитопроводе, снижает магнитную проводимость в вертикальном направлении и увеличивает в горизонтальном. Вектор магнитной индукции при этом поворачивается, силовые линии искажаются (рис. 5, в), стремясь большую часть пути пройти в наиболее легком направлении, и во вторичной обмотке наводится ЭДС. Величина электродвижущей силы определяется углом поворота вектора магнитной индукции, который в свою очередь зависит от измеряемой силы.
Рис. 5. Магнитоанизотропный датчик усилия
Преимущества магнитоанизотропных датчиков определяются их конструкцией. Выходная мощность датчика зависит от многих факторов, однако даже датчик для измерения сравнительно малых усилий имеет выходную мощность не менее 0,1 Вт, т.е. в несколько тысяч раз больше, чем тензорезисторный датчик. Магнитоанизотропный датчик набирается из стандартных модулей - секций, как показано на рис. 6 а.
Первичные обмотки всех секций соединяются последовательно. Также последовательно соединяются и вторичные обмотки. При таком построении датчика каждая из секций измеряет силу Pl, P2,…, Рп, а общее выходное напряжение является суммой электродвижущих сил вторичных обмоток всех секций. Очень важно добиться, чтобы нагрузка между секциями распределялась по возможности равномерно.
Ни одна из секций не должна быть перегружена выше уровня сохранения линейности выходной характеристики. Причинами перегрузки могут быть неплоскостность прилегающих к датчику деталей клети, наличие концентраторов напряжения на поверхностях контакта датчика с клетью, а также смещение точки приложения равнодействующей усилия от вертикальной оси датчика.
а) б)
Рис. 6. Многосекционный магнитоупругий датчик (а) и схема емкостного измерителя усилия (б)
Упругие элементы датчиков измерителей усилия, разработанных ВНИИАЧЕРМЕТОМ, изготавливаются из монолитных брусков фехраля - железохромоалюминевого сплава. В Киевском институте автоматики упругие элементы изготавливают из склеенных между собой пластин, холоднокатаной трансформаторной стали.
Датчики усилия в измерителях ВНИИАЧЕРМЕТА сокращенно называются ДМ (например, ДМ-7303.01, ДМ-157.01, ДМ-7174.01, ДМ-5806, ДМ-7091).
Фирма «Kelk» выпускает датчики кольцевого типа на номинальное усилие до 40 Мн. Внутренний диаметр датчика колеблется в пределах 222 …578 мм, наружный диаметр 285 … 895 мм, высота 66 … 190 мм. Внутренняя полость датчиков заполнена инертным газом.
Наибольших успехов в создании магнитоупругих датчиков для измерения усилия прокатки добилась, шведская фирма АСЕА. Работа этих датчиков основана на изменении магнитных свойств шихтованного сердечника при сжатии. Сравнительные характеристики приведены в таблице 1.
Емкостные силоизмератели
Схема измерителя усилия прокатки японской фирмы «Toshiba» приведена на рис. 6 б. Это, по существу, многосекционный конденсатор, зазор, между обкладками которого, определяет его электрическую емкость. При приложении измеряемой силы датчик деформируется, зазор между обкладками конденсатора уменьшается, а емкость соответственно увеличивается.
Величина емкости измеряется измерительной схемой, собранной в электронном шкафу, расположенном на расстоянии до 100 м от датчика. Наличие нескольких распределенных в объеме датчика конденсаторов-секций позволяет снизить погрешность при перераспределении нагрузок по поверхности датчика. Измерители усилия устанавливают под подушками нижних опорных валков. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм приведены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм
Фирма, страна Тип Номинальное усилие, МН Погрешность, % Гистерезис, % Температурный дрейф нуля, %/0С Быстродействие, с
«Davy Instruments»» Англия Тензорезисторный, М250 25 ±1,0 - - 1,0
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрического эффекта. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряд U (рис. 7), на поверхности при приложении механической нагрузки F, обратный - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.
Рис. 7. Пьезодатчик
В качестве пьезоэлектрических элементов обычно используют естественные материалы - кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (ВАТІО3), титаната свинца (PBTIO3) и цирконата свинца (PBZRO3). Можно использовать и другие материалы.
Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем Kd, который устанавливает зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F: Q = KDF.
Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3-10-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200… 500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 1016 Ом/м; модуль упругости кварца Е=1,1 1010 Па.
Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.
Механическая прочность пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F и съема заряда Q.
В настоящее время технология изготовления датчиков на пьезоэффекте сильно развивается.
3.2 Измерение крутящего момента
Момент двигателя расходуется на работу по пластической деформации, на ускорение самого двигателя, валков и прокатываемой полосы, а также на преодоление аэродинамических потерь и потерь трения. Поэтому, хотя момент двигателя при постоянстве потока возбуждения характеризуется током якоря, этот ток далеко не однозначно определяет момент, затрачиваемый на прокатку.
Кроме того, при работе привода через шестеренную клеть, когда, например, оба валка четырехвалкового стана имеют привод от одного двигателя, распределение моментов между валками может существенно отличаться. Причин такого отличия много. Основным из них является различие диаметров рабочих валков и коэффициентов трения о полосу верхнего и нижнего рабочих валков.
Тензорезисторные измерители крутящего момента
При передаче крутящего момента круглым валом траектории главных деформаций (растяжение и сжатие) направлены под углом 45° к оси вала (рис. 8, а, б). Поэтому для измерения деформации кручения вала, а следовательно, и крутящего момента тензорезисторы наклеиваются на поверхность вала, как показано на рис. 8, в.
Четыре тензорезистора моста являются активными по отношению к измеряемому напряжению. Направление деформации зависит от направления действия скручивающего момента. Если момент приложен в направлении против часовой стрелки, как показано на рис. 8, а, сопротивления R1 и RЗ увеличиваются, а R2 и R4 уменьшаются, вызывая дисбаланс моста. Если момент действует в направлении по часовой стрелке, как показано на рис. 8, б, сопротивления R1, RЗ уменьшаются, а R
2и R4 увеличиваются, обусловливая дисбаланс моста в другую сторону.
Рис. 8. Тензорезисторные измерители крутящего момента
Питание тензомоста напряжением U1 осуществляется через контактные кольца 1, закрепленные через изолирующие втулки 2 па вращающемся валу. Токосъемниками в данном случае могут быть графитовые щетки 3 или ртутные контакты. Сигнал дисбаланса моста U подается на теизоусилитель 4 и далее на устройство индикации или регистрации 5. Работа измерительных устройств, сигналы с которых передаются через трущиеся контакты, дает частые сбои изза потери этого контакта. Кроме того, трущиеся контакты являются источником т. ЭДС, появление которой обусловливает дополнительную погрешность. Для ликвидации этой погрешности применяют различные бесконтактные системы питания и передачи информации с вращающегося вала на «наземную» аппаратуру.
Погрешность измерителей с помощью тензорезисторного моста не превосходит 1% от полной шкалы.
Магнитоупругие измерители момента
Принцип действия магнитоупругих измерителей крутящего момента основан на рассмотренном явлении возникновения анизотропии магнитной проницаемости под действием измеряемого момента (рис. 9). Под действием вращающего момента вал скручивается. В нем возникают растягивающие и сжимающие напряжения. Магнитные сопротивления участков вала R1, R2, R3, R4, расположенные между катушками возбуждения A, B и измерительными катушками C и D, изменяются под действием механических напряжений, что приводит к дисбалансу магнитного моста, состоящего из этих сопротивлений. Напряжение дисбаланса является мерой измеряемого момента.
Валы шпинделей главных приводов прокатных станов обычно имеют значительные размеры и вращаются с переменной скоростью при частом реверсировании. Поэтому простейший измеритель, приведенный на рис. 9, имеет значительную скоростную погрешность и погрешность, связанную с изменением расстояния от поверхности вала до возбуждающего и измерительного магнитопроводов. Изменение расстояния может быть вызвано эксцентриситетом, температурными деформациями, погрешностями монтажа и т.п.
Рис. 9. Магнитоупругий измеритель момента
Промышленные измерители изготавливаются в виде кольца, расположенного вокруг вала, момент на котором контролируется. Такая конструкция представляет собой несколько магнитоупругих датчиков, что позволяет существенно снизить дополнительные погрешности. Имеются магнитоупругие измерители крутящего момента, выпускаемые шведской фирмой ACEA, известные под названием «тордукторы», измерители Института автоматики (г. Киев) и Южно-Уральского государственного университета.
3.3 Измерение натяжения полосы
Натяжение полос и лент на станах холодной прокатки и других агрегатах по их холодной обработке создается двигателями. Доля мощности, затрачиваемая на упругое растяжение полосы, различна.
Тем не менее, в ряде случаев именно по мощности двигателя судят о натяжении полосы. Погрешность в этих случаях относительно невелика, если, кроме создания натяжения, ток двигателя затрачивается на компенсацию аэродинамических потерь, потерь на трение и т.п. и можно применять электрические измерители натяжения, работающие, как правило, по току двигателя.
Если мощность двигателя расходуется на пластическую деформацию изменение скорости металла или на ускорение маховых масс узлов прокатного оборудования, то выделить долю тока, создающую натяжение, трудно, и погрешность измерения становится значительной.
В таких случаях применяют электромеханические измерители натяжения, в которых измерение осуществляется при помощи специального силоизмерительного датчика, вырабатывающего выходной сигнал, пропорциональный величине натяжения. Существует условное деление электромеханических измерителей натяжения полосы на прямые и косвенные.
Станина 1 двухвалковой клети установлена на гибких опорах 2, имеющих податливость в направлении прокатки. Силоизмерительный датчик 3, жестко закрепленный на фундаменте, воспринимает равнодействующую сил, действующих по оси прокатки. В первом приближении усилие F, воспринимаемое датчиком: , где T1 и T2 - натяжения полосы; - удельный вес прокатываемого металла; S - площадь поперечного сечения прокатываемой полосы; v - скорость прокатки; - относительное обжатие полосы.
Отсюда следует, что при помощи силоизмерительного датчика можно измерять разность натяжений, приложенных к полосе, с погрешностью на величину силы, затрачиваемой на ускорение полосы вследствие ее обжатия в валках. Если намерять таким образом натяжение, создаваемое тянущими роликами, в которых обжатия не производится, то точность измерения будет вполне удовлетворительной. Если использовать прямой метод для измерения натяжения в четырехвалковой клети со смещенными осями рабочих валков, то дополнительная составляющая горизонтальной силы, обусловленная отклонением равнодействующей усилия прокатки от вертикального направления, также будет являться погрешностью
, где P - усилие прокатки.
Теоретически обе рассматриваемые погрешности могут быть исключены, но для этого дополнительно необходимы измерители скорости, измерители усилия прокатки и относительного обжатия, а также задатчики удельного веса и площади поперечного сечения полосы. Это, с одной стороны, существенно усложняет измерения. С другой стороны, дает несущественное повышение точности в производственных условиях изза погрешности в установке заданий и в результате суммирования погрешностей каждого преобразования.
При косвенном методе измерения натяжения полосы силоизмерительным датчиком воспринимается не само натяжение, а доля реакции механизма, уравновешивающая натяжение полосы.
На рис. 10, б приведена схема измерения натяжения полосы между клетями четырехвалкового стана косвенным методом. Для измерения полосу при помощи специального измерительного ролика 1 отклоняют от направления прокатки. Измерительный ролик, имеющий превышение над уровнем прокатки, опирается на силоизмерительный датчик, воздействуя на него с усилием
, где - угол между уровнем прокатки и направлением движения полосы;
Т - натяжение полосы; Q - масса ролика и полосы.
Соотношение между усилием, приходящимся на датчик, и натяжением полосы составляет обычно 1: 10. В рассмотренной схеме в межклетевом промежутке устанавливается только один ролик измерителя натяжения полосы. Измеритель, построенный по этой схеме, называется однороликовым.
Основным его недостатком является изменение превышения ролика над уровнем прокатки при установке в стан рабочих валков различного диаметра. Для устранения этой погрешности применяются измерители с автоматической настройкой превышения ролика. При такой настройке измерительный ролик опускают заведомо ниже уровня прокатки. Заправляют в стан полосу, натягивают ее вращением валков клети и поднимают ролик при помощи специального механизма до соприкосновения с полосой. Затем снимают натяжение, а ролик поднимают на заданную величину превышения над уровнем прокатки. Контролируется превышение при помощи специального отсчетного устройства.
Влияние изменения уровня прокатки устраняют также при помощи трехроликовых измерителей. В трехроликовом измерителе полоса зафиксирована относительно измерительного ролика, и поэтому изменение положения или размеров соседних роликов или валков стана (агрегата) не влияет на показания измерителя. Основным недостатком трехроликовых измерителей является погрешность, обусловленная жесткостью полосы. Исследования показывают, что погрешность уменьшается по мере уменьшения толщины прокатываемой полосы и с ростом ее удельного натяжения. Удельные натяжения при прокатке конструкционных сталей составляют не менее 70…80 МПА. В этом случае погрешность для полос толщиной менее 3 мм практически не зависит от величины натяжения. Систематическая же погрешность может быть учтена при составлении программ прокатки полос.
Силоизмерительные датчики измерителей натяжения.
Кроме требований надежности и точности, к силоизмерительным датчикам для измерителей натяжения полосы предъявляется требование высокой механической жесткости в направлении действия измеряемого усилия, которое является непременным условием исключения возможности возникновения низкочастотных колебаний прокатываемой полосы вместе с измерительным роликом. Поскольку деформируемые (упругие) элементы силоизмерительных датчиков обычно изготавливаются из сталей, можно сформулировать два условия высокой жесткости: использование только деформаций растяжения и сжатия, а также минимизация механических напряжений. В измерителях натяжения полосы применяют тензорезисторные и магнитоупругие силоизмерительные датчики, собственные частоты которых достаточно высоки и одинаковы. В цехах холодной прокатки используют в основном измерители натяжения, разработанные ВНИИАЧЕРМЕТОМ и ВНИИМЕТМАШЕМ. В измерителях ВНИИМЕТМАША применяются силоизмерительные датчики типа ДСТ, работающие на сжатие.
Технические характеристики датчиков типа ДСТ
Номинальная нагрузка, КН 0,05; 0,1; 0,2;
0,5; 1; 2; 5; 10;
20; 50; 100; 200;
Допустимая погрешность, % ±0,5
Рабочий диапазон температур, °С……………………… - 30… 50;
Габаритные размеры, мм ………….110X130X42…145X115X105
В измерителях натяжения ВНИИАЧЕРМЕТА применяются магнитоанизотропные силоизмерительные датчики специальной конструкции. Имеются датчики двух конструктивных модификаций, отличающихся защитой токоподводящего кабеля.
Технические характеристики датчиков ДМ-5806 и ДМ-7091