КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
1.13. Элементы автоматики для передачи и приёма информации Подобные элементы используются в тех случаях, когда необходимо осуществлять технологический контроль за работой какого–либо объекта автоматизации или управление этим объектом, если он располагается на значительном расстоянии от пункта контроля и управления. Для связи этого пункта с объектом автоматизации могут использоваться различные линии связи (ЛС), как проводные, так и беспроводные, то есть с использованием электромагнитного излучения, например, радиосвязи. Разработка подобных систем является прерогативой телемеханики, поэтому в настоящем лекционном материале будут рассмотрены лишь два наиболее распространенных способа передачи информации на расстояние. Первый способ основан на использовании специальных элементов автоматики, чаще всего индукционных, запитанных от одной сети переменного тока. Такой способ применим только с проводной линией связи, и он рассчитан для передачи данных на небольшие расстояния (до 1000 м), то есть в пределах этой питающей сети. Чаще всего используются два индукционных датчика, например, сельси́ны которые могут работать в двух основных режимах: индикаторном и трансформаторном. В индикаторном режиме работы обмотки возбуждения двух сельси́нов подключаются к одной сети переменного тока, а их роторные обмотки соединяются друг с другом одноименными клеммами (рис. 1.65), составляя тем самым трёхпроводную линию связи. В случае равенства углов ( 1 = 2 ), роторы сельси́нов занимают одинаковое угловое положение, ЭДС, индуцируемые в роторных обмотках каждого из них, равны по величине, но направлены навстречу друг другу. Поэтому токи в линии связи будут отсутствовать (i1 = i2 = i3 = 0), и вся система будет находиться в состоянии покоя. 66 Рисунок 1.65. Индикаторный режим работы сельсинов При повороте ротора первого сельси́на на некоторый угол, отличный от угла 2 , между одноименными клеммами сельси́нов возникает разность потенциалов, под действием которой в линии связи появляются токи i1, i2, i3. Эти токи, проходя по роторным обмоткам второго сельси́на, создают в нём магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора, и появляющийся при этом момент вызывает поворот ротора второго сельси́на до тех пор, пока не исчезнет причина появления момента, т. е. пока токи в ЛС не станут снова равны нулю. Таким образом, поворот ротора первого сельси́на на некоторый угол обуславливает аналогичный поворот ротора и второго сельси́на (1 = 2). При этом режиме работы первый сельси́н является сельси́ном–датчиком (СД), а второй – сельси́ном–приёмником (СП) и его можно считать индикатором положения ротора сельси́на–датчика. Такой режим используется только для визуальной индикации (контроля) угловых перемещений какого–либо механизма, соединённого с ротором СД, на небольшое расстояние (в пределах питающей сети), причём к одному СД можно одновременно подключить параллельно несколько СП, обмотки возбуждения которых запитаны от одной сети переменного тока. Например, индикаторный режим работы сельси́нов широко используется на морском транспорте для передачи показаний курса корабля от магнитного компаса или гирокомпаса, установленного в одном определённом месте, в штурманскую рубку и другие помещения корабля, где это необходимо. В трансформаторном режиме работы сельси́нов (рис. 1.66) используется та же трехпроводная ЛС, но статорная обмотка сельси́на–приёмника отключается от сети и используется в качестве выходной обмотки. 67 Рисунок 1.66. Трансформаторный режим работы сельсинов При такой схеме включения оба сельси́на работают аналогично трансформаторам, и по линии связи всегда протекают токи под действием ЭДС, индуцируемой в обмотке ротора СД. Эти токи создают в роторе СП магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует в его статорной обмотке выходное напряжение Uвых, но при этом его ротор должен быть неподвижен, т. е. закреплён ( 2 = const). На рисунке 1.67 представлена статическая характеристика системы, состоящей из двух сельси́нов, работающих в трансформаторном режиме при фиксации угла 2 = π/2, из которой видно, что при угловых перемещениях ротора СД в небольших пределах ( 1 = 30) наблюдается пропорциональное изменение выходного напряжения Uвых = k* 1 , снимаемого со статорной обмотки СП, и этот участок характеристики считается рабочим для рассматриваемой системы. Рисунок 1.67. Статическая характеристика сельсинов, работающих в трансформаторном режиме Трансформаторная схема включения сельси́нов используется чаще, чем индикаторная, т. к. позволяет получать на выходе электрическую величину (напряжение), с которой удобнее производить дальнейшие преобразования и использовать её для 68 соответствующего воздействия на различные исполнительные устройства. Примером практического применения такого режима работы может служить автоматический уровень установки поперечного профиля железнодорожного пути, как на прямых его участках, так и в кривых. Следует подчеркнуть, что кроме рассмотренных схем и используемых при этом сельси́нов, находят применение и другие разновидности индукционных элементов и схем их включения, особенно в различных летательных аппаратах (в том числе, в освоении космоса), и даже в современном автомобилестроении. В системах телеуправления при больших протяженностях ЛС одним из самых распространенных способов передачи информации считается частотный метод, при котором различные виды информации передаются переменными токами разных частот (т. е. в линии связи создаются, своего рода, частотные каналы). На приёмной стороне эти токи расфильтровываются, т. е. распределяются, по самостоятельным цепям. Это осуществляется с помощью специальных устройств – фильтров, в работе которых используется явление электрического резонанса, возникающего в цепи, состоящей из таких реактивных элементов, как катушка индуктивности и конденсатор. На приёмной стороне, особенно при больших протяженностях ЛС, чаще всего используются резонансные усилители, имеющие узкую полосу пропускания частот входного сигнала и высокий коэффициент усиления. Частотный метод передачи информации нашел широкое применение в радиовещании, а затем в телевидении. К примеру, городская радиотрансляционная сеть более полувека использует частотный метод для передачи по двухпроводной линии трёх различных программ вещания. Аналогичный способ применяется в кабельном телевидении для передачи ещё большего количества программ своим потребителям. Помимо этого, необходимо знать, что в системах телемеханики для передачи различной информации на большие расстояния на основе не только частотного, но и других методов передачи, в качестве линий связи часто используются даже высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП), т. е. существующие электрические сети. 1.14. Элементы автоматики для использования информации Подобные элементы, как правило, по структуре завершают любую автоматическую систему, т. к. вырабатывают окончательный сигнал либо на управление объектом 69 автоматизации, либо сообщают о состоянии этого объекта автоматизации на любой момент времени. К этой группе элементов автоматики относятся: измерительные устройства; регистрирующие устройства; исполнительные устройства. Измерительные устройства – это, прежде всего, различные измерительные приборы, завершающие структурно системы автоматического контроля (САК), и представляющие результаты измерения различных технологических параметров в аналоговом или цифровом виде. Устройство подобных приборов известно из дисциплины «Электротехника». Например, принцип работы аналоговых измерителей основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной катушки с током (или постоянного магнита) и подвижной катушки, по которой протекает ток, пропорциональный измеряемому параметру. Регистрирующие устройства предназначены для записи значений контролируемых параметров в течение какого–то определённого промежутка времени. Здесь, как правило, используются различные записывающие приборы, начиная от бумажных самописцев и кончая самыми современными способами регистрации, применяющими магнитную или лазерную технику. Подобные способы регистрации широко используется не только в производстве, но и в быту. Исполнительные устройства, чаще всего завершают структурно системы автоматической защиты (САЗ) и обязательно – системы автоматического управления (САУ) и регулирования (САР). К этим устройствам относятся нагревательные, вентиляционные и холодильные установки, а также различные исполнительные механизмы, в качестве которых используются, чаще всего, электромагнитные устройства (электромагниты и реле) и электродвигатели самых разных типов. Электромагниты, как и реле, имеют релейную характеристику, т. е. у них только два значения выходного параметра: «0» или «1» (открыто или закрыто), и поэтому те и другие, в основном, устанавливаются на выходе систем автоматической защиты (САЗ). Электродвигатели, выходной величиной которых является угловая скорость (либо угловое перемещение) и механический момент на валу, позволяют с помощью управляющего входного сигнала, поступающего на них, управлять этими выходными параметрами. Поэтому они, в большинстве случаев, применяются в системах управления и регулирования (САУ и САР). 70 Все электродвигатели, предназначенные для преобразования электрической величины в механическую, в зависимости от питающей сети, подразделяются на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. У каждого из них есть свои преимущества и свои ограничения в использовании. Так, двигатели постоянного тока до последнего времени являлись основными, используемыми в качестве тяговых двигателей на транспорте, как обладающие хорошими тяговыми и механическими характеристиками. Но у этих электрических машин в конструкции имеется существенный недостаток – наличие щеточно–коллекторного узла, а это значительно снижает надёжность работы таких двигателей. Поэтому для них необходимо постоянное и своевременное обслуживание и ремонт. В настоящее время прослеживается тенденция замены двигателей постоянного тока на асинхронные машины, совместно с современными разработками в области полупроводниковой преобразовательной техники. Как электрические машины, все электродвигатели состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. Работа всех электрических машин основана на законе электромагнитной индукции). Машины постоянного тока различаются по способу питания обмоток возбуждения статора (независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение), и каждый из этих способов находит своё конкретное применение. Кроме этого, частота вращения ротора двигателей постоянного тока пропорциональна величине тока якоря (ротора), а это дает возможность управления частотой вращения двигателя в широких пределах и, кроме этого, позволяет получать достаточно высокие скорости вращения, особенно в тех случаях, где это необходимо. Асинхронные двигатели (АД), являющиеся двигателями переменного тока, такой способностью не обладают, но в их конструкции отсутствует щеточно–коллекторный узел и поэтому надежность их работы значительно выше. Принцип действия АД основан не только на законе электромагнитной индукции, но и на вращающемся магнитном поле, создаваемом обмотками статора. В трёхфазных АД, используемых в качестве силовых и тяговых двигателей, вращающееся магнитное поле создаётся благодаря двум факторам. Во–первых, это сам трёхфазный ток, который является совокупностью трёх однофазных токов, смещенных относительно друг друга на одну треть периода, а во–вторых, статорные обмотки асинхронного двигателя располагаются на магнитопроводе статора относительно друг друга также под определённым, постоянным углом. Частота вращения магнитного поля статора определяется соотношением n 1 = 60f/p, где f – частота питающей сети, а р – число пар полюсов создаваемого обмотками статора магнитного поля, т. е. это целое число, равное – 1, 2, 3 и т. д. Поэтому максимальная частота вращения магнитного поля при р = 1 и частоте питающей сети f = 50 Гц 71 составляет только 3000 об./мин, а это в некоторых случаях ограничивает область применения асинхронных двигателей. Частота вращения ротора несколько ниже и определяется выражением n = n 1 (1 – s), где s – параметр скольжения двигателя, который зависит от величины момента на валу АД, и в номинальном режиме составляет s = 0,02…0,08. В некоторых системах автоматики, особенно таких, как САК, широко используются маломощные АД, выполняющие необходимые вспомогательные операции в этих системах (например, перемещение движка реохорда в измерительной схеме). Причём электропитание такие системы получают, как правило, от однофазной сети переменного тока. В однофазных асинхронных двигателях применяют искусственный способ получения вращающегося магнитного, который заключается в том, что на статоре такого двигателя размещаются две обмотки, расположенные под прямым углом относительно друг друга и одна из них подключается к питающей сети переменного тока через фазо– сдвигающий конденсатор. Поэтому ток в обмотке опережает приложенное к ней напряжение на 90° и создаваемое статорными обмотками поле, таким образом, становится тоже вращающимся. Как правило, эта обмотка считается обмоткой возбуждения, а вторая – обмоткой управления. Если на обмотку управления поступает напряжение Uy, пропорциональное управляющему сигналу, то зависимость скорости вращения ротора двигателя от этого напряжения, при небольших его изменениях, становится линейной, а направление вращения ротора определяется фазой напряжения управления. В этом случае асинхронный двигатель работает в режиме управляемого привода, используемого в балансных измерительных системах, т. е. позволяет, регулировать частоту вращения двигателя. Рисунок 1.68. Работа асинхронного двигателя в режиме управляемого привода 72 Кроме рассмотренного режима, в устройствах автоматики используется и режим стабилизированного привода, при котором обе обмотки двигателя подключаются к одному источнику питания. Рисунок 1.69. Работа асинхронного двигателя в режиме стабилизированного привода В этом режиме частота вращения ротора остаётся постоянной в широком диапазоне изменения напряжения питающей сети, что определяется постоянством частоты вращения магнитного поля статора. Такой режим применяется в различных регистрирующих устройствах, где необходима постоянная скорость движения используемых носителей информации. 73 2. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.1. Механические воздействия Механические усилия, действующие на различные объекты, бывают сосредоточенные и распределенные. Различают сосредоточенные линейно направленные усилия – силы – и вращательные усилия – крутящие моменты. Распределенные усилия делят на внешние – давления – и внутренние – механические напряжения, возникающие внутри исследуемого объекта. Измерение механических усилий является неотъемлемой частью многих научных исследований, технологических процессов, медицинской диагностики и др. Диапазоны измеряемых усилий весьма широки: внутренние напряжения в материалах – 0…2000 МПа, силы – 0…10 9 Н, моменты – 0…10 8 Н*м, давления – 0…10 10 Па. Измерения усилий требуется производить в различных средах, в условиях действия разнообразных влияющих величин, в широком диапазоне температур – от –270С до 1200С, в широком частотном спектре, который для механических напряжений и сил простирается от 0 до 100 кГц, а для давлений ультразвуковых волн в гидроакустике до 10 7 Гц. Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. По виду непосредственно измеряемой величины их можно разделить на 4 группы, основанных на измерении: деформаций исследуемого объекта или упругого элемента, возникающих под действием определяемого усилия; параметров или свойств преобразователей, изменяющихся под действием определяемых усилий (электрическое или магнитное сопротивление, частота собственных колебаний); непосредственно свойств исследуемых объектов или сред, зависящих от действующих на них усилий (скорость распространения звука, теплопроводность газа, температура); усилия, уравновешивающего измеряемое усилие. Первая группа методов наиболее широко используется для определения механических напряжений путем измерения деформации поверхности исследуемого объекта, а также в приборах для измерения сил, крутящих моментов и давлений. 74 Вторая группа применяется для построения средств измерений, основанных на использовании пьезоэлектрических, магнитоупругих и манганиновых преобразователей, естественной входной величиной которых является измеряемое усилие. Прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в электризации кристаллических тел под действием механических напряжений, широко используется для измерения сил и давлений. Поскольку преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с малой погрешностью (10 –1 …10 –4 %), а собственная частота пьезоэлектрических датчиков достаточно высока (20…200 кГц), то на их основе выпускаются весьма точные средства измерений для определения быстропеременных сил и давлений. Применение современных усилителей заряда с высоким входным сопротивлением (Rвх = 10 13 Ом) позволяет использовать пьезоэлектрический эффект для измерений не только динамических, но и квазистатических усилий. Высокими метрологическими характеристиками обладают приборы с пьезоэлектрическими резонансными датчиками, основанными на изменении частоты резонатора под действием механического усилия. Такие датчики позволяют создавать манометры с погрешностью 0,01…0,02% с верхним пределом измерения 70 МПа, а также динамометры для измерения сил в диапазоне 3*10 –3 …10 –15 Н с погрешностью 0,02%. Магнитоупругий эффект, заключающийся в зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных тел μ от существующих в них механических напряжений σ, используется для измерения больших сил, вращающих моментов и давлений. Магнитоупругие датчики можно применять для измерения усилий как в статистическом, так и в динамических режимах при частотах до нескольких кГц. Они отличаются высокой надежностью, но и малой точностью (погрешность 1…5%). Нижний предел измерения определяется магнитоупругой чувствительностью материала датчика, которая для различных материалов лежит в пределах: Верхний предел измерения манометров и динамометров ограничивается допустимым значением механического напряжения в материале магнитоупругого преобразователя, которое не должно превышать 10…20% от предела упругости данного материала. В противном случае сильно возрастают погрешности линейности и гистерезиса. 75 Измерение давлений с помощью манганиновых преобразователей основано на свойстве манганина изменять свое сопротивление под действием всестороннего сжатия. Барический коэффициент манганина определяется выражением: Поэтому такие преобразователи применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений (10 8 …10 10 ), в частности высоких импульсных давлений. На зависимости свойств или параметров исследуемых объектов от действующих усилий основаны ультразвуковой, термоупругий, магнитоупругий и фотоупругий методы измерений механических напряжений, тепловой и ионизационный методы измерений вакуума, интерферометрический метод измерения давлений и т. п. Методы уравновешивания используются при построении наиболее точных средств измерений сил, вращающих моментов и давлений. |