Отчет по лабораторным работам по дисциплине Содержательные основы автоматизации
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Институт информационных технологий и автоматизированных систем Кафедра автоматизации и информационных систем Отчет по лабораторным работам по дисциплине: «Содержательные основы автоматизации» Выполнил: студент гр. ИАТ-21 Шершнев В.А. Проверила: к.т.н., доцент Гулевич Т. М. Новокузнецк 2022 Лабораторная работа №3 Автоматические системы измерения температуры Температура (от лат. temperatura - нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы и являющаяся важнейшим и часто основным параметром технических и биологических систем. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов измерение температуры составляют соответственно 40% и 50% общего числа измерений. Термопара – это датчик, состоящий из двух разных по свойствам токопроводящих проводников, спаянных между собой. Измерение происходит за счет образования термической электродвижущей силы (напряжения), образованной между проводниками. Термометр — это прибор, применяемый для измерения температуры путём преобразования её изменений в показания или сигнал измерительной информации, являющийся известной функцией температуры. Часть термометра, преобразующая тепловую энергию в другой вид энергии, называется чувствительным элементом. Метод измерения температуры, при котором чувствительный элемент термометра приводится в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой, называется контактным, в противном случае бесконтактным. Под термоэлектрическим термометром (ТТ) принято понимать комплект, состоящий из: 1. Первичного преобразователя (термопары), осуществляющего преобразование температуры в электрическое напряжение; 2. Линии связи; 3. Электроизмерительного прибора (показывающего или регистрирующего), снабжённого градусной шкалой или градуировочным графиком (таблицей) для прямого отсчёта измеряемой температуры. Явление Зеебека заключается в том, что в месте контакта двух различных проводников 1 и 2 возникает электродвижущая сила, вызванная различной концентрацией свободных электронов и наличием контактной разницы потенциалов, причём в цепи термопары ЭДС в точке с температурой t, т.е. e12(t), противоположна по знаку и не равна по величине ЭДС e21(t) в точке с температурой t0.  Все применяемые термопары подразделяются на стандартные и нестандартные. Если термопара изготовлена из стандартной термоэлектродной проволоки в условиях металлургического завода, то при получении с завода-изготовителя ее не надо градуировать. Измерив термоэдс термопары и воспользовавшись соответствующей стандартной градуировочной характеристикой, можно определить измеряемую термопарой температуру. Нестандартные термопары изготовляет на приборостроительных заводах по специальном техническим условиям, градуируют индивидуально каждую термопару (или партию термоэлектродной проволоки) и прилагают полученные градуировочные таблицы к отгружаемым потребителю изделиям.  Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве чистых металлов и полупроводников изменять свое электрическое активное сопротивление Rt при изменении температуры t. Температурный коэффициент сопротивления металлов положителен (сопротивление увеличивается при повышении температуры), полупроводников –отрицателен. Измеряя сопротивление проводника или полупроводника, и зная зависимость их сопротивления от температуры можно определить температуру термометра сопротивления, значит и температуру контролируемой среды, в которой термометр находится. Стандартные технические термометры сопротивления имеют чувствительные элементы из платины или меди и предназначены для измерения температуры в пределах от –200 до +650 C (таблица 1). Стандартные термометры не нуждаются в тарировке, так как зависимости для них известны и приведены в справочниках в виде градуировочных таблиц. Платина является лучшим металлом для изготовления термометров сопротивления, так как она химически инертна в окислительной среде, обладает удовлетворительной механической плотностью, большим температурным коэффициентом сопротивления, сравнительно высоким удельным сопротивлением. К числу недостатков платины следует отнести высокую стоимость и дефицитность.  Лабораторная работа №4 Изучение работы системы регулирования на примере системы дозирования сыпучих материалов (песка) Использование традиционных периодических поверок и испытаний автоматизированных систем технологических измерений, невысокий уровень автоматизации и механизации этих работ не обеспечивают требуемую точность измерения, оперативность и единообразие в проведении метрологической аттестации систем регистрации и обработки результатов. Для решения поставленных задач предлагается новый класс многовариантных идентификационно-тестовых систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками, которые за счет оперативного определения реальных градуировочных характеристик измерительных преобразователей и систем при реализации специальных тестовых воздействий в действующих измерительных системах в рабочих режимах их функционирования позволяют обеспечить формирование требуемого количества и качества измерительной информации. В рамках традиционных лабораторных установок ввиду ограниченных функциональных возможностей невозможно охватить весь спектр задач изучения, исследования и сравнительного анализа различных структур, методов и средств измерений и, особенно, новых идентификационно тестовых методов.  Датчик имеет форму низкого цилиндра. Упругий элемент датчика выполнен совместно с корпусом и представляет собой крестовидную основу из четырех и более балок, исходящих из общего центра и связанных упругими шарнирами с корпусом. На балках наклеены фольговые тензорезисторы, соединенные в электрический мост (рис. 1). Датчик сверху и снизу закрыт мембранами жёсткости, не влияющими на метрологию и служащими для компенсации перепада давления при изменении температуры окружающей среды или внешнего давления. Измеряемое усилие передаётся на таровую поверхность упругого элемента, вызывая изгиб балок и деформацию фольговых тензореаисторов, которые преобразовывают пооледнюю в пропорциональной силе электрический сигнал. В корпусе датчика укреплён выходной разъём, через который осуществляется соединение датчика с вторичной аппаратурой.  Автоматизированная лабораторная установка "ДОЗА" предназначена для исследования эффективности идентификационно-тестового подхода к измерениям; сравнительного анализа существующих методов измерения; обучения студентов и технологов новым методам и для их демонстрации. Установка представляет собой действующую модель системы порционного дозирования сыпучих материалов с тестовым нагружением и прямым цифровым управлением от персональной ЭВМ. Лабораторная работа №1 Изучение и моделирование методов измерения Метод измерения (МИ) - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с выбранным принципом измерений. Тестовый метод измерения (ТМИ) – метод измерения физической величины с использованием тестовых (пробных) воздействий, осуществляемых непосредственно в процессе измерения. Результатом измерения является оценка измеряемой величины. Идентификационно-тестовый метод измерения (ИТМИ) - метод измерения физической величины, совмещающий относительно редкое использование тестовых (пробных) воздействий с идентификацией градуировочной характеристики. Многовариантные алгоритмы ИТМИ - алгоритмы, реализующие в каждом цикле измерения множество вариантов решений по: 1) первичной обработке сигналов измерительной информации; 2) определению оценок измеряемой величины; 3) идентификации градуировочной характеристики; 4) выработке режимов и управляющих воздействий в подсистеме реализации тестов. Многовариантные технологические измерения - комплексная реализация многих вариантов технологических измерений с их эффективным совмещением и взаимодействием по всем функциям и видам обеспечения. Методы измерения, как совокупность приемов решения измерительных задач, характеризуемых его теоретическими обоснованием и применением средств измерения, весьма разнообразны. Классификация методов может быть произведена по многим признакам: по способу взаимодействия средств измерения с объектом; по различным информативным параметрам сигнала измерительной информации; способу сравнения измеряемой величины с единицей измерения меры, по основным измерительным операциям и другим признакам.  При таком широком подходе к понятию метода измерений средство измерений (система) рассматривается как воплощение одного или нескольких методов измерения, знание которых способствует правильной организации и проведению процесса измерения. На начальном этапе формализации рассматриваемых методов была произведена классификация их с учетом выделенных признаков и соответствия их основным условиям применения. МНО - метод непосредственной оценки, суть которого заключается в том, что о значении измеряемой величины Х судят по показанию средства измерения прямого преобразования, заранее проградуированного в единицах измеряемой величины. Образное представления метода непосредственной оценки показано на рисунке  НМ – нулевой метод - является разновидностью дифференциального метода (ДМ). Его отличие состоит в том, что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля. Это контролируется специальным прибором высокой точности – нуль-индикатором. Значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Это соответствует взвешиванию на весах, когда на одном плече на-ходится взвешиваемый груз, а на другом – набор образцовых грузов. Образное представление нулевого метода показано на рисунке  ДМ - дифференциальный метод, суть которого заключается в том, что измеряемая величина Х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной, воспроизводимой мерой. Образное представления дифференциального метода показано на рисунке  МЗ – метод замещения - заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина. Образное представление метода замещения показано на рисунке  СМ – метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Образное представление метода совпадений показано на рисунке  Практикуемый в широком смысле основополагающий принцип сравнения измеряемой величины с известными значениями меры допускает большое разнообразие вариантов своего структурного представления и воплощения, что затрудняет изучение методов, выявление их структурных отличий и особенностей применения. Стержневой идеей при изучении методов измерения на основе образной информации является построение опорного образа (изображения) при воспроизведении изучаемых методов. Наиболее наглядной является соответствующая структурно-вариантная классификация методов измерения массы посредством рычажно-пружинных весов. Предусмотрено раздельное и, главное, последовательно-параллельное воспроизведение структурно-вариантных представленных методов измерения с сопоставительным анализом. Лабораторная работа №2 Изучение различных типов сигналов измерительной информации (СИИ) Сигнал – материально энергетический носитель информации о состоянии или поведении физической системы. Модель измерительного сигнала – это условное обозначение генерирующего абстрактного механизма. Наиболее информативным детерминированным сигналом является ступенчатый или импульсный сигнал. Если входной сигнал отсутствует, то генерирование (движение формирующего фильтра) осуществляется от начальных условий. Полезная составляющая S(i) должна быть известна с точностью до конечного числа коэффициентов. Помеховая составляющая сигнала описывается преобразовательным механизмом вида N(i) = Φ [ε (i)], где ε (i) – модель параметризованной математической статистики, ε (i)∈H (0,σ ) ; N(i) – нормальная гауссовская стационарная последовательность с нулевым (постоянным) математическим ожиданием и заданной дисперсией. Основным условием для равноточных абстрактных измерений является неизменность преобразований (рисунок 2) в последовательности измерений, т.е. в зависимости от i. Это же условие относится к математическому ожиданию и дисперсии последовательности ε (i). Если Ф – пропорциональное звено, то в этом случае при независимых отсчетах ε (i) независимы и нормальные отсчеты независимы и нормальные отсчеты N(i). Если преобразование Ф – динамическое, то N(i) – зависимые отсчеты, но это не мешает им быть равноточными в смысле обобщенного метода наименьших квадратов. Неравноточные измерения имеют место во всех ситуациях, где не выполняются указанные условия, т.е. изменяются преобразования во времени.  В роли базисных сигналов чаще всего используют одномерный или многомерный «белый шум». Под последним понимают чисто случайный процесс, у которого отсутствуют всякие связи между соседними значениями. Этому процессу соответствуют с достаточной точностью флуктуации напряжения в сети, изменение ошибок регистрации параметров объектов, неточности работы механизмов при правильной наладке их и т.д. С помощью преобразования белого шума можно представить очень многие стационарные и нестационарные случайные процессы. Модель генерирования выходных сигналов через преобразования одно и многомерного «белого шума» является полезной в деле идентификации металлургических объектов. С помощью этой модели следует отображать эффекты влияния на реальные объекты неконтролируемых факторов, «прочих факторов». Если эффекты прочих факторов для данного выхода объекта хорошо описываются экспоненциальной автокорреляционной функцией, то данное разностное уравнение является полностью адекватным. Это означает, что информация, содержащаяся в АКФ и в этом разностном уравнении, одинакова. Другими словами, свертывание информации о динамике анализируемых данных в форме АКФ и соответствующего генератора, эквивалентно  . Для доменных печей эти эффекты соизмеримы с эффектами учитываемых факторов, поэтому очевидна необходимость их прямого математического описания с включением в модель объекта генератора эффектов прочих факторов. Генерирование сигналов  |