КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
1.3. Основные характеристики и параметры элементов автоматики и систем О свойствах элементов, составляющих автоматическую систему, и самих системах принято судить по их основным характеристикам и параметрам. Одной из таких характеристик является статическая характеристика, которая представляет собой функциональную зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме Хвых = f(Хвх) при t → ∞. Различные виды статических характеристик представлены на рисунке 1.2. Рисунок 1.2. Виды статической характеристики Линейная характеристика (прямая 1) имеет вид Хвых = k*Хвх где k – статический коэффициент передачи, k = tgα 1 10 Нелинейная статическая характеристика (кривая 2) имеет дифференциальный коэффициент передачи, определяемый при конкретном значении входного параметра, например, Хвх = Х 1 Нелинейная характеристика с разрывом второго рода (кривая 3), называемая релейной, имеет два значения выходного параметра: Следующей характеристикой является временнáя или динамическая характеристика – зависимость выходной величины от времени Хвых = f(t) при определенном воздействии входного сигнала. В теории систем автоматического управления и регулирования за типовое воздействие на систему или элемент чаще всего принимается единичная функция (рис. 1.3). Рисунок 1.3. Единичная функция Временную характеристику обычно называют переходным процессом (рис. 1.4). 11 Рисунок 1.4. Переходные процессы Частотная характеристика – зависимость выходной величины от частоты изменения входного параметра Хвых = f() при постоянной амплитуде входной величины (рис. 1.5). Рисунок 1.5. Частотные характеристики 1.4. Структура автоматических систем Для некоторых автоматических систем, особенно таких как системы контроля и системы программного управления, имеет место последовательное соединение элементов (звеньев), составляющих эти системы (рис. 1.6). При такой структуре имеются только прямые связи и такие системы считаются разомкнутыми. В них выходная величина каждого звена является входной для следующего за ним элемента, и сигнал проходит только в одном направлении – от входа к выходу. Рисунок 1.6. Структура разомкнутой автоматической системы Но большинство современных автоматических систем, таких как САЗ, САР и большинство САУ, строятся по замкнутому принципу, т. е. в них используется обратная 12 связь. Под обратной связью понимают параллельное соединение элементов, при котором направление действия сигналов не совпадает (рис. 1.7). Рисунок 1.7. Звено с элементом обратной связи Здесь часть выходного сигнала поступает на вход этого же элемента (либо на вход одного из предшествующих элементов), при этом, если сигнал обратной связи по знаку совпадает с входным сигналом, имеет место положительная обратная связь, при этом величина выходного сигнала увеличивается. В противном случае имеет место отрицательная обратная связь, при которой выходная величина уменьшается. Следует заметить, что для улучшения качества автоматических систем чаще используется именно отрицательная обратная связь. В зависимости от характера элемента обратной связи (его статической характеристики) может иметь место: жёсткая обратная связь, при которой Хос в любой момент времени пропорционален Хвых – вых ос ос x k x гибкая обратная связь, когда dt dx k x вых ос ос запаздывающая обратная связь, если Хос на интервал времени t отстает от Хвых. Принято считать, что если в системе имеется хотя бы одна обратная связь, такая система является замкнутой. Системы автоматического контроля (рис. 1.8а) и защиты (рис. 1.8б), как правило имеют одинаковую структуру, отличающуюся только характером и назначением последнего элемента: 13 Рисунок 1.8а. Структура системы автоматического контроля Рисунок 1.8б. Структура системы автоматической защиты Здесь ОА – объект автоматизации; ИУ – измерительное устройство, предназначенное для измерения параметра Хвх, характеризующего поведение объекта или протекание какого–либо процесса, и преобразования его к более удобной для дальнейшего использования величине Х 1 . В системах автоматического контроля последним элементом является РУ – регистрирующие устройство для визуальной индикации или записи измеряемого параметра на какой–либо носитель информации (бумагу, фоточувствительные материалы, магнитные, электронные и другие запоминающие устройства). В системах автоматической защиты на выходе устанавливается исполнительный элемент ИЭ, который производит либо прерывание протекающего процесса, т. е. воздействует на объект автоматизации, либо сообщает об этом соответствующим световым или звуковым сигналом. Рассмотренные системы могут быть и замкнутыми, но это, в конечном счете, определяется структурой измерительного устройства. Системы автоматического управления и автоматического регулирования также могут быть разомкнутыми и иметь структуру, представленную на рисунке 1.9. Рисунок 1.9. Структура разомкнутой автоматической системы управления и регулирования Здесь ЗУ – задающее устройство, вырабатывающее определенную команду или последовательность команд на управление объектом автоматизации или регулирование какого–либо параметра на объекте, УУ – усилительное устройство, преобразующее 14 заданный сигнал в параметр Х 1 для связи с исполнительным элементом ИЭ, который своим сигналом управления Х Y воздействует непосредственно на объект автоматизации ОА. Но в таких разомкнутых системах при воздействии какого–либо внешнего возмущающего фактора Zв состояние объекта автоматизации может измениться, следовательно, изменится его выходной управляемый параметр Хвых. Для исключения этого необходим постоянный контроль выходного параметра на объекте автоматизации. Поэтому современные системы управления и регулирования структурно строятся замкнутыми (рис. 1.10), т. е. с использованием элемента обратной связи – ОС, который выполняет функции контроля состояния объекта автоматизации. Рисунок 1.10. Структура замкнутой автоматической системы В таких системах сигнал обратной связи Хос, в зависимости от отклонения управляемого параметра на объекте автоматизации, поступает на элемент сравнения, в котором он сравнивается с заданным значением и вырабатывается разностный сигнал х. Этот сигнал с помощью усилительного устройства УУ воздействует на исполнительный элемент ИЭ, а тот, в свою очередь, соответствующим сигналом управления Х Y восстанавливает требуемое значение управляемого параметра на объекте автоматизации. Современные системы автоматического регулирования (САР) имеют такую же структуру (т. е. системы замкнутые) и отличаются от САУ, в основном, характером задающего устройства ЗУ. Следует заметить, что любое составляющее звено перечисленных систем автоматики может представлять совокупность нескольких элементов, соединённых между собой и выполняющих определённые функции в этом звене, т. е. в некоторых случаях являться и автоматической системой. Особенно это относится к элементам обратной связи, которые в большинстве случаев являются измерительными устройствами или системами, такими как САК. 1.5. Элементы автоматики для приема информации (датчики) 15 Датчики являются основными элементами автоматики, предназначенными для приёма информации и преобразующими контролируемый или регулируемый параметр в более удобную для дальнейшего использования величину. В измерительной технике эти элементы часто называют первичными преобразователями. От выбора датчика во многом зависит точность и надёжность работы всей автоматической системы в целом. Как элементы автоматики, датчики могут классифицироваться по различным показателям, например, по назначению, т. е. по характеру входной измеряемой величины, либо по принципу преобразования. Но лучше всего различать датчики по характеру выходной величины, а по этому показателю они бывают: механические; гидравлические и пневматические; электрические. Поскольку основным видом энергии, как более дешевой и используемой в современных автоматических системах, является электрическая энергия, остановимся более подробно на электрических датчиках, которые подразделяются на две основные группы: параметрические; генераторные. У параметрических датчиков под воздействием входной величины изменяются их внутренние параметры, такие как электрическое сопротивление (активное или реактивное). Для работы этих датчиков необходимы и соответствующие источники питания. Работа генераторных датчиков основана на непосредственном преобразовании входной величины (в большинстве случаев неэлектрической) в электрическую, и они могут использоваться без источников питания. Выходной величиной таких датчиков является ЭДС или электрический ток, протекающий под действием этой ЭДС. 1.6. Параметрические датчики Параметрические датчики по устройству и принципу преобразования делятся на: контактные; реостатные; 16 тензочувствительные; электролитические; термосопротивления; емкостные; индуктивные; магнитоупругие и магнитострикционные; ионизационные. Принцип работы контактных датчиков (рис. 1.11) основан на преобразовании механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал путём подключения или отключения источников питания к вторичной цепи. Причем входным параметром изображенных датчиков является в одном случае механическая нагрузка, а в другом – температура. Наибольшее применение контактные датчики нашли в качестве конечных выключателей, и они являются типичными представителями релейных элементов, т. к. их выходное сопротивление может принимать только два значения: 0 или . Рисунок 1.11. Контактные датчики: 1 – пружина; 2 – контактная группа; 3 – биметаллическая пластина Основным недостатком контактных датчиков является их низкая надежность, т. к. при замыкании или размыкании контактов появляется электрическая дуга (искра), из–за которой сокращается срок службы контактов за счёт их окисления и разрушения, и при этом создаётся высокий уровень электромагнитных помех. Для исключения такого явления применяют различные методы гашения электрической дуги, используя специальные схемы и соответствующие конструкции самих контактов. Реостатные (потенциометрические) датчики, конструктивно выполненные подобно реостатам, преобразуют линейные или угловые перемещения движка реостата в электрическое напряжение путём изменения его выходного сопротивления (рис. 1.12). 17 Рисунок 1.12. Реостатные датчики: а – линейный; б – торроидальный В конструкции реостатов используются либо линейные формы каркасов, для которых входная величина Хвх – линейное перемещение, либо торроидальные, у которых входная величина Хвх – угловое перемещение движка реостата. Обмотки проволочных реостатов выполняются из нихрома или специальных сплавов с высоким внутренним сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. В некоторых случаях вместо обмотки используется графитовое покрытие. Обязательным условием использования этих датчиков является выполнение соотношения Rн >> R, т. е. входное сопротивление элементов, которые подключаются к датчику, должно быть значительно больше сопротивления реостата, в противном случае линейность статической характеристики датчика нарушается. Рис 1.14 Схема реостатного датчика На рис. 1.14 представлена схема дифференциального реостатного датчика, который реагирует на полярность входного воздействия, т. е. направление перемещения движка реостата (вверх или вниз относительно средней точки обмотки реостата). Питание реостатных датчиков может осуществляться от источников как постоянного, так и переменного тока. Реостатные датчики нашли довольно широкое применение, несмотря на наличие в их конструкции механического и электрического 18 контакта между движком реостата и его обмоткой, несколько снижающего надежность работы такого датчика. Тензочувствительные датчики – это элементы, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводниковых материалов при наличии в них деформации в пределах упругости. В качестве таких датчиков наибольшее применение нашли: проволочные, чувствительный элемент которых изготовлен из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как манганин, нихром, константан; угольные или графитовые (тензолит, прессугольный порошок) полупроводниковые (PbS). Для практических целей используют специальную конструкцию проволочных датчиков (рис. 1.15), где тонкая манганиновая проволока 3 (0,005 мм) укладывается специальным образом на тонкий изоляционный материал 2 (бумага, плёнка), с помощью которого датчик крепится (приклеивается) на исследуемую конструкцию или деталь 1, чтобы деформация детали полностью воспринималась чувствительным элементом датчика. Концы манганиновой проволоки приваривают к медным выводам 4 для дальнейшего подключения датчика к измерительным устройствам. Рисунок 1.15. Тензометрические датчики: а – принцип действия; б – устройство; в – зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации При приложении механической нагрузки происходит деформация чувствительного элемента датчика – проволоки и при этом изменяется её электрическое сопротивление за счет изменения длины и сечения: 19 Статическая характеристика датчика – зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации в пределах упругости – является линейной. Чувствительность проволочного датчика, определяемая наклоном статической характеристики, невысока и составляет: На рисунке 1.16 представлена конструкция угольного столбика (преобразователя давления) и его статическая характеристика. Рисунок 1.16. Угольный датчик давления: а – устройство; б – статическая характеристика Работа этого датчика основана на том, что при действии механической нагрузки – Р (сжатии) – контактное сопротивление между частицами графитовых таблеток 2 и между самими таблетками в столбике уменьшается. Чувствительность подобных датчиков в десятки раз выше, чем у проволочных, а в случае применения полупроводниковых материалов (PbS) – даже в сотни раз. Основным недостатком всех рассмотренных тензодатчиков является наличие температурной погрешности. Тензочувствительные датчики широко применяются для измерения сил, ускорений, деформаций и вызванных ими механических напряжений в строительных конструкциях, а также для других целей, связанных с деформацией (в частности, при исследовании взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава, особенно при больших осевых нагрузках). 20 В электролитических датчиках (рис. 1.17) используется зависимость электропроводности электролитов от его состава (концентрации) и геометрических параметров датчика. Рисунок 1.17. Электролитический датчик Электропроводность простой электролитической ячейки зависит от удельной электропроводности раствора , площади электродов S, находящихся в растворе, и расстояния а между ними, при этом входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров. Определяется электропроводность следующей формулой: Для исключения явления электролиза питание электролитических датчиков предпочтительно осуществлять переменным током низкой частоты (f = 50…300 Гц). Электролитические датчики применяются в качестве соленомеров для определения количества солей в водонагревательных установках, в измерителях кислотности (рН–метрах), в устройствах очистки воды для систем водоснабжения, в уровнемерах приемных резервуаров систем водоотведения, для измерения влажности воздуха, а также влажности неоднородных сред (сыпучих строительных материалов). Кроме этого, используя электропроводность воды, они в качестве контактных датчиков применяются для контроля уровня грунтовых вод в строительных котлованах для своевременной откачки из них грунтовых вод. На рисунке 1.18 представлено устройство хлористо–литиевого датчика для измерения влажности воздуха, в котором за счёт насыщения влагой соли LiCl (за счет 21 высокой гигроскопичности) меняется её проводимость. Соль наносится на изоляционную пластинку между электродами датчика, а по величине протекающего по ней тока можно определять измеряемый параметр – влажность окружающей среды. Рисунок 1.18. Хлористо–литиевый датчик Работа термосопротивлений основана на зависимости внутреннего сопротивления проводников (металлов) и полупроводниковых материалов от температуры, причем для металлов статическая характеристика датчика в широком диапазоне температур линейна (рис. 1.19, прямая 1) и описывается выражением: где t – температурный коэффициент изменения сопротивления металла. Рисунок 1.19. Температурные характеристики: 1 – металлов; 2 – полупроводников В качестве материала проводников в термосопротивлениях используют чистые металлы, для которых величина t больше, чем для различных сплавов. Значение температурного коэффициента для таких металлов составляет t = (3,7…6,5)×10 –3 (град –1 ). Так, для меди, ассортимент выпускаемых проводников которой наиболее широк, 22 t =4,3×10 –3 (град –1 ), т. е. изменение температуры на 10 вызывает изменение сопротивления медной проволоки на 4,3%. Чувствительность термосопротивлений на основе полупроводниковых материалов значительно выше, чем для металлов, но статическая характеристика их нелинейная (рис. 1.19, кривая 2), поэтому они применяются только в небольшом диапазоне изменения температуры, где нелинейностью характеристики можно пренебречь. Кроме этого, термисторы, как их часто называют, работоспособны только в диапазоне температур от –20С до +120С, поэтому их практическое применение допустимо лишь в условиях окружающей человека среды. Например, они широко используются в цифровых полупроводниковых медицинских термометрах и во многих приборах, в которых необходимо поддерживать требуемую температуру. Металлические термосопротивления вследствие их конструктивного исполнения (рис. 1.20) имеют достаточно высокую инерционность, что является их существенным недостатком. Рисунок 1.20. Металлическое термосопротивление В качестве датчиков металлические термосопротивления нашли практическое применение в двух режимах их работы. Первый – это режим, при котором температура датчика определяется окружающими условиями и применяется в термометрах и психрометрах (измерителях влажности воздуха). Второй режим – режим нагрева датчика схемным током, при котором его температура определяется условиями теплоотдачи. В этом режиме через чувствительный элемент датчика – проволоку пропускается ток, который нагревает её до температуры t = 150…200C. При этом отвод выделенного тепла зависит от среды, в которой находится проволока. Подобный режим работы термосопротивлений нашел применение в таких приборах как анемометры (измерители скорости воздушных потоков), вакуумметры и 23 газоанализаторы, но конструктивные особенности исполнения этих датчиков отличаются от рассмотренных выше. Емкостные датчики конструктивно представляют собой электрический конденсатор (рис. 2.11а). Рисунок 1.21. Емкостные датчики: а – устройство; б – принцип действия Ёмкость конденсатора определяется тремя параметрами: площадью перекрытия пластин S, расстоянием между ними а и величиной диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика , находящегося между пластинами – Входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров, а выходной величиной – его реактивное (ёмкостное) сопротивление, для определения которого необходим источник питания переменного тока высокой частоты: Это объясняется тем, что величина Хс при питании датчика от сети (f = 50 Гц) соизмерима с сопротивлением изоляции и составляет при емкости датчика 100…150 пФ более 100 мОм. Поэтому, несмотря на максимальную простоту конструкции и безынерционность датчика, применение его связано с использованием сложной аппаратуры, работающей в области радиочастот (f = 1…10 МГц), а это высокочастотные мостовые схемы и резонансные усилители. Но несмотря на это, ёмкостные датчики нашли 24 практическое применение во влагомерах ( = var), уровнемерах и в угломерах (S = var), а также в емкостных манометрах и микрофонах (a = var). Индуктивные датчики являются другой разновидностью реактивных элементов. Выходной величиной их является индуктивность и индуктивное сопротивление X L , значение которого определяется измеряемой неэлектрической величиной: Конструктивно индуктивные датчики представляют собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (магнитопроводом) и подвижным якорем, являющимся частью этого магнитопровода (рис. 1.22). Рисунок 1.22. Устройство индуктивного датчика Величина индуктивности датчика определяется выражением: где w – количество витков катушки; Rм – магнитное сопротивление магнитопровода (сердечника и воздушного зазора), определяемое согласно выражению: 25 где – магнитная проницаемость материала сердечника; 0 – магнитная проницаемость воздушного зазора; lc – средняя длина магнитной цепи ферромагнитного сердечника; – величина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения сердечника. Индуктивность представленного на рисунке 1.23 датчика будет изменяться за счет перемещения Х якоря (S = var). В зависимости от конструкции сердечника это могут быть не только линейные, но и угловые перемещения. Достоинством индуктивных датчиков является простота конструкции, надежность и возможность питания непосредственно от сети переменного тока (f = 50 Гц). Но в отличие от емкостных датчиков, их существенный недостаток – более высокая погрешность и малая точность из–за нелинейности статической характеристики сердечника (кривой намагничивания). Рисунок 1.23. Индуктивный датчик Индуктивные датчики широко применяются в устройствах автоматики для измерения больших и малых перемещений (линейных и угловых), в манометрах, динамометрах, торсиометрах (измерителях моментов), уровнемерах, а также для контроля немагнитных покрытий стальных конструкций. Наиболее чувствительны дифференциальные индуктивные датчики, состоящие из двух одинаковых катушек, соединенных последовательно, и общего подвижного сердечника позволяющие определять не только величину перемещения сердечника, но и его полярность (направление перемещения). Магнитоупругие датчики конструктивно являются тоже индуктивными элементами (рис.2.14), но в них изменение индуктивности обусловлено определённым свойством ферромагнитных материалов при воздействии на них механических усилий. Деформация сердечника из такого материала в результате действия этих усилий приводит к изменению 26 его магнитной проницаемости , а, следовательно, и величины магнитного сопротивления. Рисунок 1.24. Магнитоупругие датчики: а – для измерения усилий; б – для измерения деформаций и механических напряжений Магнитоупругие датчики по своему применению аналогичны тензочувствительным датчикам, т. е. они также могут использоваться для измерения усилий деформаций и вызванных ими механических напряжений В качестве материала сердечников в них используется пермаллой, обладающий высоким значением магнитной проницаемости . В магнитострикционных преобразователях используется обратное свойство ферромагнитных материалов – изменять свои геометрические размеры под воздействием внешних магнитных полей. Практическое применение обе разновидности этих датчиков получили в качестве ультразвуковых акустических излучателей и приемников при контроле механических свойств различных строительных материалов и конструкций. Принцип работы ионизационных датчиков основан на изменении электропроводности газов и жидкостей при воздействии на них облучения (ультрафиолетового, рентгеновского или гамма–излучения). Такие датчики используются для определения параметров этих излучений и конкретным примером применения подобных датчиков могут служить радиометры – приборы для измерения уровня радиации (счетчики Гейгера). Кроме этого, для измерения очень низких значений давления воздуха (до 1 пПа) эти датчики применяются в ионизационных вакуумметрах, в которых интенсивность ионизации газа пропорциональна измеряемому давлению. |