КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
5.6. Регистрирующие приборы Регистрирующие приборы записывают «историю» изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно–лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами – в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд. 5.7. Измерительные мосты 151 Измерительный мост – это обычно четырех плечная электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль– детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения (для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч. Уитстона. Двойной измерительный мост постоянного тока К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рисунке 5.2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 5.2) к току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3. Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят Rx = Rs*(N /M). 152 Рис. 5.2. Двойной измерительный мост (мост Томсона) Измерительные мосты переменного тока Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50…60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла–Вина. Мост Максвелла–Вина (рис. 5.3) позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: Lx = R2×R3×C1 Rx = (R2×R3) / R1 Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т. е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина Lx не зависит от частоты. 153 Рис. 5.3. Измерительный мост Максвелла–Вина Трансформаторный измерительный мост Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рисунке 5.4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой–то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность. Рис. 5.4. Трансформаторный измерительный мост переменного тока для сравнения однотипных полных сопротивлений 154 Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания. Типичные нуль–детекторы В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль– детекторы двух типов. Нуль–детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль– детектор другого типа – фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности). 5.8. Измерение сигналов переменного тока В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1 В постоянного тока соответствует мощность нагревания при напряжении 1 В (эфф.) переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока): где Т – период сигнала Y(t). 155 Максимальное значение Yмакс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение YAA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707*Yмакс и YAA = 0,637*Yмакс. Измерение напряжения и силы переменного тока Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал не синусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение. Электронное умножение Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%. Дискретизация сигнала Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01…0,1%. Тепловые электроизмерительные приборы Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой 156 преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5…1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо–ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц. На рисунке 5.5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток. Рис. 5.5. Тепловой электроизмерительный прибор для измерения эффективных значений напряжения и силы переменного тока С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты. Измерение мощности и энергии переменного тока Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде: 157 P = EI×cos(j) где Е и I – эффективные значения напряжения и тока; j – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cos(j), называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока. С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается как: Если время (t1 – t2) измеряется в секундах, напряжение е – в вольтах, а ток i – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт–секундах, т. е. джоулях (1 Дж = 1 ВтЧс). Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт–часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт–часах (1 кВт*ч = 1000 ВтЧс). Счетчики электроэнергии с разделением времени В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал –Y) на фильтр нижних частот. Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов «закрыто» / »открыто», пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой – току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02% на частотах до 3 кГц (лабораторных – порядка всего лишь 0,0001% при 158 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения. Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах: Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт–часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%. Индукционные счетчики электроэнергии Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт–часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока. 159 6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ 6.1. Классификация исполнительных механизмов У термина «исполнительный механизм» существует несколько определений. Во– первых, это – устройство, выполняющее непосредственно требуемую технологическую операцию. Во–вторых, исполнительный механизм – это механизм автоматической системы регулирования, осуществляющий в соответствии с сигналами механическое воздействие на объект регулирования. Классификация исполнительных механизмов представлена на рисунке 6.1. Рисунок 6.1. Классификация исполнительных механизмов Исполнительные механизмы, применяемые в системах автоматически, очень разнообразны. Классификация производится в первую очередь по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа. Соответственно, исполнительные механизмы бывают пневматические, гидравлические и электрические, механические и комбинированные. По конструкции различают электродвигательные, электронные, электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные исполнительные механизмы. В пневматических исполнительных механизмах усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон; давление обычно не 160 превышает 10 3 кПа. В гидравлических исполнительных механизмах усилие перемещения создается за счет давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление жидкости в них находится в пределах (2,5…20)×10 3 кПа. Отдельный подкласс гидравлических исполнительных механизмов составляют исполнительные механизмы с гидромуфтами. Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые исполнительные механизмы подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в одном направлении создается давлением в рабочей полости исполнительного механизма, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма. По характеру движения выходного элемента большинство исполнительных механизмов подразделяются на прямоходные с поступательным движением выходного элемента и поворотные с вращательным движением до 360° (многооборотные). Управление исполнительными механизмами осуществляется, как правило, через усилители мощности. Помимо того, непосредственно к исполнительным механизмам может подводиться энергия от дополнительного источника, т. е. используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей усилие перемещения. В электрических системах автоматизации и управления наиболее широко применяются электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные исполнительные механизмы. Основным элементом электромашинного исполнительного механизма является электрический двигатель постоянного или переменного тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электроприводами, т. к., согласно ГОСТ 50369–92, электропривод – это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, электрического преобразовательного, механического передаточного, управляющего и измерительного устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управлении этим движением. Электромагнитные исполнительные механизмы дискретного действия выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем осуществляют различного рода электромагнитные муфты. Исполнительные механизмы должны удовлетворять следующим требованиям: 161 мощность их должна превосходить мощность, необходимую для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работы; статические характеристики исполнительных механизмов должны быть по возможности линейными и иметь минимальные зоны нечувствительности (зоной нечувствительности называется зона, в пределах которой изменение управляющего сигнала не вызывает перемещение управляемого объекта или его органов); как наиболее мощные функциональные звенья автоматических систем регулирования должны обладать достаточным быстродействием; регулирование выходной величины должно быть по возможности простым и экономичным; должны иметь малую мощность управления. В качестве исполнительных механизмов в системах автоматики в основном применяются мощные электромагнитные реле, электромагниты, электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и поршневые, гидравлические и пневматические двигатели и др. |