Информационно-измерительные системы электротехнологических установок и комплексов

 
 
 
 
 
 
 
Д. А. Давыдов, Е. К. Пыльская 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК  
И КОМПЛЕКСОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
1 

УДК 621.3.08 
ББК 31.2 
Д13 
 
 
Рецензенты: 
 
кафедра «Общеобразовательные дисциплины» Саратовского государственного 
университета генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова,  
заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент В. Н. Буйлов; 
 
кандидат технических наук В. А. Трушкин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Давыдов, Д. А. 
Д13  
Информационно-измерительные системы электротехнологических установок и комплексов : учебное пособие / Д. А. Давыдов, Е. К. Пыльская. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 168 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1756-3 
 
Предлагается подход к оценке состояния ЭТУС как действие взаимосвязанных 
подсистем, обеспечивающих сбор первичной информации, ее обработку и предоставление данных для принятия человеко-машинных решений. Особое внимание уделено 
вопросам изучения преобразовательных устройств, а также устройствам отображения 
информации. 
Для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электротехнологические 
установки и системы».  
 
УДК 621.3.08 
ББК 31.2 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1756-3 
© Давыдов Д. А., Пыльская Е. К., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
......................................................................................................... 5 
1. ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ .................................... 6 
1.1. Датчики температуры .................................................................................. 6 
1.1.1. Термометры расширения 
........................................................................ 6 
1.1.2. Манометрические датчики ................................................................... 10 
1.1.3. Терморезистивные датчики 
.................................................................. 11 
1.1.4. Термоэлектрические датчики 
............................................................... 13 
1.1.5. Пирометры (тепловизоры) ................................................................... 15 
1.1.6. Акустические датчики .......................................................................... 23 
1.1.7. Пьезоэлектрические датчики ............................................................... 24 
1.2. Датчики давления (разрежения) ............................................................... 24 
1.2.1. Жидкостные манометры 
....................................................................... 25 
1.2.2. Деформационные манометры .............................................................. 28 
1.2.3. Термоэлектрические вакуумметры ..................................................... 31 
1.2.4. Ионизационные вакуумметры ............................................................. 33 
1.2.5. Тензометрические датчики давления 
.................................................. 35 
1.2.6. Емкостные датчики давления .............................................................. 36 
1.2.7. Индуктивные (магнитные) датчики давления 
.................................... 36 
1.2.8. Пьезоэлектрические датчики давления 
............................................... 37 
1.2.9. Оптические (оптоволоконные) датчики давления 
............................. 37 
1.3. Датчики влажности (гигрометры) ............................................................ 40 
1.3.1. Психрометры ......................................................................................... 40 
1.3.2. Деформационные датчики 
.................................................................... 41 
1.3.3. Резистивные (кондуктометрические) датчики ................................... 42 
1.3.4. Емкостные датчики ............................................................................... 43 
1.3.5. Термисторные датчики ......................................................................... 44 
1.3.6. СВЧ датчики .......................................................................................... 45 
1.3.7. Оптические датчики 
.............................................................................. 47 
1.4. Датчики положения, перемещения, скорости ......................................... 47 
1.4.1. Механические выключатели ................................................................ 48 
1.4.2. Магнитные датчики 
............................................................................... 50 
1.4.3. Потенциометрические датчики 
............................................................ 50 
1.4.4. Емкостные датчики ............................................................................... 51 
1.4.5. Индуктивные датчики 
........................................................................... 52 
1.4.6. Вихретоковые датчики ......................................................................... 53 
1.4.7. Магниторезистивные датчики ............................................................. 54 
1.4.8. Датчики Холла 
....................................................................................... 57 
1.4.9. Магнитострикционные датчики .......................................................... 58 
1.4.10. Ультразвуковые датчики .................................................................... 59 
1.4.11. Оптические датчики 
............................................................................ 60 
1.4.12. Сельсины (СКВТ) 
................................................................................ 61 
1.4.13. Тахогенераторы ................................................................................... 63 
1.4.14. Энкодеры 
.............................................................................................. 66 
1.5. Вопросы для самопроверки 
....................................................................... 68 
3 

2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
......................................... 69 
2.1. Усилители 
.................................................................................................... 69 
2.2. Фильтры 
....................................................................................................... 76 
2.2.1. Фильтры низких частот (ФНЧ) ............................................................ 81 
2.2.2. Фильтры верхних частот (ФВЧ) .......................................................... 84 
2.2.3. Полосопропускающие фильтры (ФПП) 
.............................................. 86 
2.3. Аналогово-цифровые преобразователи ................................................... 93 
2.4. Измерительные трансформаторы ........................................................... 104 
2.4.1. Измерительные трансформаторы тока 
.............................................. 104 
2.4.2. Пояс Роговского .................................................................................. 113 
2.4.3. Измерительные трансформаторы напряжения ................................ 114 
2.4.4. Оптико-электронные трансформаторы (ОЭТ) ................................. 118 
2.5. Расширение диапазона измерений ......................................................... 128 
2.5.1. Шунты .................................................................................................. 129 
2.5.2. Добавочные сопротивления ............................................................... 130 
2.6. Вопросы для самопроверки 
..................................................................... 131 
3. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 
......................... 132 
3.1. Контрольно-измерительные приборы (КИП) 
........................................ 132 
3.1.1. Светосигнальные индикаторы ........................................................... 132 
3.1.2. Аналоговые измерительные приборы 
............................................... 134 
3.1.3. Цифровые измерительные приборы 
.................................................. 140 
3.2. Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) 
.............................. 143 
3.2.1. Нормирование метрологических характеристик ............................. 144 
3.2.2. Структура измерительно-вычислительного комплекса .................. 144 
3.2.3. Программное обеспечение ИВК ........................................................ 148 
3.2.4. Интерфейсы ИВК ................................................................................ 151 
3.2.5. Системы искусственного интеллекта в составе ИВК 
...................... 154 
3.3. Вопросы для самопроверки 
..................................................................... 163 
Библиографический список ........................................................................ 164 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Электротехнологические установки (ЭТУ) представляют собой широкий 
класс промышленного оборудования, различающегося как по физическим 
принципам действия, так и по своей конструкции, которое условно можно разделить на пять основных типов: 
– электротермические, использующие преобразование электрической 
энергии в тепловую (печи сопротивления, дуговые, индукционные печи и т. д.); 
– электросварка (электродуговая, индукционная и т. д.); 
– электрохимические, основанные на явлении электролиза (установки 
электрохимической обработки); 
– электрофизические, основанные на разрушении поверхности металла 
импульсом электрического разряда (электроэрозионные); 
– электромеханические, основанные на методах, совмещающих одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки (электроконтактные, магнитоимпульсные, электрогидравлические установки, ультразвуковые установки). 
Несмотря на разнообразие физических принципов действия, с целью эффективного функционирования ЭТУ, необходимым условием является наличие 
системы контроля состояния установки (информационно-измерительной системы), которая представляет собой три взаимосвязанные подсистемы (рис. 1). 
 
 
 
Рисунок 1 – Структура информационно-измерительной системы ЭТУ 
 
5 

1. ИСТОЧНИКИ  
ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ 
 
Основными источниками первоначальной информации являются датчики, 
применительно к ЭТУ, наиболее характерными являются [1]: 
– датчики температуры; 
– датчики давления (разрежения); 
– датчики влажности (гигрометры, влагомеры); 
– датчики положения, перемещения, скорости. 
В некоторых случаях применение датчиков для контроля тех или иных 
параметров ЭТУ затруднено или фактически невозможно, например измерение 
температуры в индукционных или дуговых печах и т. д. В подобных ситуациях, 
для оценки состояния ЭТУ, используется косвенные данные, связанные с изменениями в системе энергоснабжения вызванные изменениями в протекающих в 
ЭТУ процессов [2]. 
В первую очередь это: 
– изменение напряжения в питающей сети; 
– изменение тока в сети; 
– изменение потребляемой мощности; 
– изменение коэффициента мощности (cosϕ ). 
 
1.1. Датчики температуры 
 
Значительный класс ЭТУ составляет электротермические установки, в 
которых основным параметром требующего контроля является температура  
[1, 2]. В качестве датчиков температуры могут быть использованы: 
– термометры расширения (дилатометрические преобразователи); 
– манометрические датчики; 
– терморезистивные датчики; 
– термоэлектрические датчики (термопары); 
– пирометры (инфракрасные датчики; тепловизоры); 
– акустические датчики; 
– пьезоэлектрические датчики. 
 
1.1.1. Термометры расширения 
 
Принцип действия термометров расширения основан на увеличении объёма тел при повышении температуры. Конструкция жидкостных термометров состоит из резервуара, заполненного рабочей жидкостью, с припаянной к нему капиллярной трубкой со шкалой. При повышении температуры жидкость, расширяясь, поднимается по капилляру и высота подъёма прямо пропорциональна измеряемой температуре. Капиллярная трубка, с узлом настройки, защищена стеклянной оболочкой, внутрь которой вложена шкальная пластина (рис. 1.1) [1]. 
6 

 
 
Рисунок 1.1 – Конструкции стеклянных жидкостных термометров 
 
В качестве рабочей жидкости могут быть использованы этиловый спирт, 
толуол, керосин и ещё ряд веществ, но в наибольшее распространение в ЭТУ 
получили ртутные термометры. Это обусловлено верхним пределом измеряемой температуры 356 °С (температура кипения ртути) [2]. Для расширения 
диапазона измеряемой температуры пространство над ртутью в капиллярной 
трубке заполняется инертным газом под давлением и что позволяет увеличить 
верхний предел до 650 °С. 
Подобные термометры предназначены только для визуального контроля 
температуры. Для реализации простейших функций автоматического управления (замыкания-размыкания контактов) могут быть использованы электроконтактные термометры, причём как с заданным контактом (значением температуры), так и с подвижным (температура может быть задана). 
В термометрах первого типа в капилляр с нижней и верхней стороны 
вмонтирована платиновая проволока. Ртуть, поднимаясь и достигая заданной 
температуры, замыкает контакты [3]. 
В электроконтактных термометрах второго типа в верхней части находится узел настройки положения рабочего контакта. Из узла настройки в капилляр входит подвижный рабочий контакт из вольфрамовой проволоки, конец 
которого, закреплён в подвижной гайке, перемещающейся по микровинту узла 
настройки. При вращении микровинта с помощью постоянного магнита, расположенного на верхней части термометра, гайка перемещается и изменяет положение проволоки в капилляре, образуя рабочий контакт со столбиком ртути в 
заданной температурной точке [2, 3]. 
На шкальной пластине нанесены две шкалы: верхняя – для предварительной настройки положения рабочего контакта на заданную температуру, 
нижняя – для отсчета измеряемой температуры (рис. 1.2) [1–3]. 
7 

 
                                             а)                                                     б) 
 
Рисунок 1.2 – Электроконтактные жидкостные термометры: а) с заданным контактом: 
1 – капилляр; 2 – контакты; 3 – зажимы; б) с подвижным контактом: 1 – зажимы; 2 – ручка 
вращения магнита; 3 – U-образный магнит; 4 – вспомогательная шкала; 5 – подвижный винт; 
6 – основная шкала; 7 – капилляр; 8 – резервуар с ртутью; 9 – гайка; 
10 – подвижный контакт; 11 – неподвижный контакт 
 
Достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота применения и достаточно высокая точность измерения (до 0,1 °С). Но существует и ряд 
значительных недостатков, в первую очередь это: 
– смещение нулевой точки. Смещение возникает при нагреве термометра 
близко к верхней точке с последующим охлаждением. Капилляр при этом не 
сразу приобретает исходные значения, и погрешность может достигать 3 °С. 
– расширенная погрешность, обусловленная тепловым расширением капилляра или резервуара. Отсюда существует разница между действительными и 
измеренными значениями температуры. С целью уменьшения данной погрешности вводятся поправка, определяемая как: 
 
δ(t) = n⋅γ⋅(t–tв), 
8 

где n – число делений шкалы; γ – коэффициент объёмного расширения жидкости; t – температура; tв – температура, измеренная вспомогательным термометром. 
Погрешность, как правило, не превышает 0,5 °С на диапазоне 0–600 °С. 
– низкая механическая прочность (хрупкие) что требует применения дополнительных защитных оправ (рис. 1.3); 
 
 
 
Рисунок 1.3 – Конструкции защитных оправ жидкостных термометров 
 
– плохая видимость шкалы и трудность отсчета; 
– невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние; 
– невозможность ремонта; 
– значительная инерционность;  
– в случае разрушения термометра высокая опасность ртути для здоровья 
человека и окружающей среды. 
По этим причинам стеклянные ртутные термометры находят крайне ограниченное применение в составе ЭТУ в основном в качестве элементов дополнительного местного контроля. На тепловом расширении основано и действие 
дилатометрические датчиков. Основу их конструкции составляет чувствительный элемент, изготовленный из металлов с разным коэффициентом теплового 
расширения, например пара инвар – медь. В процессе нагрева элемент деформируется, приводя в движение стрелку индикатора [3]. 
Можно выделить три основных типа подобных датчиков; 
– пластинчатый; 
– спиральный; 
– стержневой. 
Биметаллические элементы могут использоваться как независимый элемент или являться составной частью более сложных устройств, таких как тепловые реле (термореле) (рис. 1.4). 
Диапазон измерения температуры для биметаллических термометров 
ограничен, как правило, в пределах 600 °С. Они просты по конструкции, надёж9 

ны, не требуют дополнительных преобразователей, однако имеют низкую точность. Для температур до 100 °С, погрешность находится обычно в пределах  
1 °С. Но при высоких температурах до 600 °С погрешность может достигать  
10 °С. 
 
 
Рисунок 1.4 – Конструкции биметаллических датчиков: 
а) пластинчатая; б) спиральная; в) стержневая; г) термореле; 
1 – контакты; 2 – пружина; 3 – биметаллическая пластина 
 
Основное применение данных датчиков аналогично применению ртутных 
термометров и как первичный узел термореле в системах тепловой защиты 
оборудования [3]. 
 
1.1.2. Манометрические датчики 
 
Действие манометрических термометров основано на изменении давления рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры. По конструкции манометрические термометры всех 
типов практически одинаковы и состоят из термобаллона, манометрической 
трубчатой пружины (одно- или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их капилляра (рис. 1.5) [4]. 
При нагревании термобаллона, помещенного в зону измерения температуры, давление вещества внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления воспринимается пружиной, которая через передаточный механизм воздействует на стрелку прибора. В зависимости от того, чем заполнены 
термобаллоны, различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры с верхним диапазоном измерения до 550 °С. К преимуществам манометрических термометров следует отнести возможность передачи показаний на 
большие расстояния, до 30 м, и большую мощность измерительной системы, к 
которой могут быть пристроены пишущие и контактные устройства. Благодаря 
этому эти приборы могут использоваться как регистрирующие, сигнализирующие и регулирующие. К недостаткам манометрических термометров можно отнести тепловую инерцию датчика (термобаллона), постепенную деформацию в 
эксплуатации термобаллона и капилляра, сбивающую градуировку [2–4]. 
10