Нормирующие преобразователи широко используются в системах автоматизации и управления технологическими процессами. Данные устройства выполняют важную функцию - преобразуют сигнал от первичных датчиков в унифицированный для дальнейшей обработки. В статье подробно рассмотрено устройство, принцип действия и особенности применения нормирующих преобразователей.
1. Назначение нормирующих преобразователей
Основным назначением нормирующих преобразователей является преобразование сигналов от первичных датчиков в унифицированный вид для дальнейшей обработки и использования в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами. К первичным датчикам относятся различные термометры, датчики давления, расхода, уровня и другие средства измерения, имеющие специфические выходные сигналы.
Основные функции нормирующих преобразователей:
- Преобразование нелинейной характеристики датчика в линейную зависимость выходного сигнала
- Преобразование сопротивления термометров или термоэлектродвижущей силы термопар в унифицированный токовый сигнал
- Преобразование слабых сигналов в более мощные
- Согласование элементов измерительных цепей и каналов связи
- Гальваническая развязка между входными и выходными цепями
- Подавление помех и повышение помехозащищенности
Благодаря этим функциям нормирующие преобразователи позволяют объединять в единую систему различные датчики и исполнительные механизмы, упрощают построение распределенных систем контроля и управления сложными технологическими процессами в промышленности, энергетике, на транспорте.
2. Принцип работы нормирующих преобразователей
Нормирующий преобразователь состоит из нескольких функциональных блоков:
- Входные цепи для подключения первичных датчиков
- Выходные цепи для подачи унифицированного выходного сигнала
- Блок обработки и преобразования сигнала
- Источник вторичного питания
- Дополнительные цепи сигнализации, индикации, настройки и т.д.
Сигнал с первичного датчика поступает на вход нормирующего преобразователя, где усиливается и нормализуется с помощью специальных электронных схем. Затем этот сигнал преобразуется в унифицированный токовый или цифровой сигнал и передается на выход устройства.
Для повышения точности и стабильности преобразования часто используется отрицательная обратная связь. Принцип ее работы заключается в следующем:
- Часть выходного сигнала отбирается с помощью делителя напряжения
- Этот сигнал поступает на вход усилителя обратной связи
- Усиленный сигнал обратной связи подается на суммирующий элемент
- Суммирующий элемент вычитает сигнал обратной связи из входного сигнала
- Разность этих сигналов усиливается и поступает на выход преобразователя
Таким образом достигается пропорциональная зависимость между входом и выходом нормирующего преобразователя.
Рассмотрим пример преобразования сигнала от термометра сопротивления. Нормирующий преобразователь включает термометр в измерительный мост, несбалансированный сигнал с которого усиливается и преобразуется в требуемый диапазон выходного тока, например 4-20 мА. Выходной ток через резистор нагрузки создает на нем падение напряжения, пропорциональное току. Это напряжение используется как сигнал обратной связи.
Для преобразования сигнала термопары используется корректирующий мост, компенсирующий нелинейность характеристики термопары. Затем сигнал также усиливается и преобразуется в требуемый токовый сигнал.
Таким образом, нормирующий преобразователь выполняет сложную обработку сигналов от первичных датчиков и преобразует их в удобный для дальнейшего использования вид.
3. Типы нормирующих преобразователей
Существует классификация нормирующих преобразователей по различным признакам:
- По виду входного сигнала: Для термометров сопротивления Для термопар Универсальные
- По виду выходного сигнала: С токовым выходом (4-20мА, 0-5мА и др.) С выходом напряжения С цифровым выходом
- По конструктивному исполнению: На DIN-рейку В корпусе настенного крепления Для установки в головку датчика
- По наличию взрывозащиты: Общепромышленные Взрывозащищенные
Кроме того, выпускаются многоканальные и одноканальные модели, приборы с дополнительными функциями индикации, сигнализации, цифровой связи и т.д.
Грамотный выбор типа нормирующего преобразователя позволяет оптимально решить поставленную задачу сбора и передачи информации о технологическом процессе.
4. Основные характеристики
При выборе нормирующего преобразователя для конкретного применения необходимо обращать внимание на следующие основные характеристики:
- Диапазон входных и выходных сигналов
- Погрешность преобразования
- Быстродействие
- Наличие гальванической развязки
- Дополнительные функции и интерфейсы
- Наличие сертификатов взрывозащиты
- Диапазон рабочих температур
- Напряжение питания
- Габаритные размеры и масса
- Помехозащищенность и устойчивость к вибрации
Диапазон входных сигналов должен соответствовать типу подключаемого датчика, а диапазон выходных сигналов – требованиям последующей системы сбора данных и управления.
Погрешность определяет точность преобразования и зависит от класса точности нормирующего преобразователя. Для высокоточных измерительных систем требуются преобразователи с погрешностью 0,1-0,25%.
Наличие гальванической развязки позволяет изолировать сигнальные цепи друг от друга для предотвращения опасных токов утечки и наводок.
Взрывозащищенные модели применяются на опасных производствах в соответствии с требованиями норм и правил.
Таким образом, оптимальный выбор характеристик нормирующего преобразователя позволяет решить поставленные задачи измерения и контроля с требуемой точностью, надежностью и безопасностью.
5. Области применения нормирующих преобразователей
Нормирующие преобразователи находят широкое применение в самых различных областях:
- Системы автоматизации и управления на промышленных предприятиях - химических, нефтеперерабатывающих, металлургических, пищевых и др.
- Контрольно-измерительные комплексы для экологического мониторинга
- Стенды и установки в научно-исследовательских лабораториях
- Измерительные каналы медицинской аппаратуры
- Автоматизированные системы управления в энергетике
- Контроль параметров технологических процессов в нефтегазовой отрасли
- Системы жизнеобеспечения и мониторинга условий в замкнутых объектах
Практически нет областей, где бы не использовались нормирующие преобразователи для сбора информации о состоянии технологических процессов и объектов.
6. Особенности выбора нормирующего преобразователя
При выборе нормирующего преобразователя необходимо учитывать ряд особенностей и требований конкретного применения:
- Анализ технических характеристик исходного датчика и требований к точности измерений
- Условия эксплуатации - температура, влажность, вибрация, агрессивная среда
- Необходимость дополнительных функций - цифровой связи, регистрации, сигнализации
- Возможные помехи и способы защиты от них
- Наличие сертификатов для применения в регулируемых областях
- Стоимость оборудования и сопутствующих работ
- Возможность технической поддержки и сервисного обслуживания
Правильный выбор нормирующего преобразования позволяет получить максимальную отдачу от системы измерения и контроля в конкретных условиях эксплуатации на объекте.
7. Правила эксплуатации нормирующих преобразователей
Для обеспечения надежной работы нормирующих преобразователей необходимо соблюдать следующие правила при их эксплуатации:
- Использовать стабилизированный источник питания заданного напряжения
- Выполнять заземление и экранирование линий связи
- Проводить периодическую поверку и калибровку
- Защищать от возможных импульсных перенапряжений
- Не допускать превышения предельных значений температуры, влажности, вибрации
- При появлении неисправностей проводить диагностику и устранение неполадок
- Выполнять профилактическое обслуживание с периодичностью, указанной в документации
Соблюдение этих рекомендаций в сочетании с грамотным выбором оборудования позволит продлить срок службы нормирующих преобразователей и избежать сбоев в работе системы.
8. Тенденции и перспективы развития нормирующих преобразователей
Основные направления совершенствования нормирующих преобразователей:
- Повышение точности и стабильности метрологических характеристик
- Расширение номенклатуры и универсализация преобразователей
- Реализация дополнительных интеллектуальных функций
- Интеграция в системы промышленного интернета вещей
- Применение новейших технологий и материалов
- Увеличение срока службы и ресурса работы
Перспективные разработки ведутся в направлении создания «умных» нормирующих преобразователей, интегрированных в единую систему сбора, передачи и обработки данных о состоянии технологических объектов. Это позволит повысить эффективность и надежность контроля за сложными производственными процессами в промышленности, энергетике, на транспорте.
