Описание

Копия метод

Управление объектами и технологическими процессами неразрывно связано с их автоматизацией. В результате внедрения инновационных автоматических измерительных приборов и схем управления снижаются расходы топлива, тепловой и электрической энергии. Появляется возможность использовать высокоэффективные технологические процессы и устройства.

В объектах автоматизации необходимо обеспечить возможность измерения определяющих технологический процесс или объект величин при минимальной погрешности.

Целенаправленное воздействие на объект управления осуществляется автоматическими регуляторами, функциональными элементами которых являются: датчики, преобразующе–усилительные устройства, исполнительные механизмы, регулирующие органы и другие.

Решение задачи эффективного управления заключается: в систематиче­ском практическом изучении современных методов и технических средств автоматизированного управления объектами; ознакомлении с принципами составления схем автоматизации; обоснованном выборе способов и средств измерения; расчете необходимой точности и погрешности измерений; выборе необходимого метрологического обеспечения. В связи с этим студент должен приобрести практические навыки работы с измерительными и управляю­щими приборами, исполнительными механизмами, усилительно-преобра­зующими устройствами, регистрирующими приборами и другими средст­вами измерения и контроля управляемого процесса.

Изучение и практическое применение измерительной аппаратуры позволяет непрерывно производить автоматическую регистрацию и измерение параметров процесса, начиная от приема сигналов чувствительным элементом (датчиком) и заканчивая регистрацией осциллографом полученных экспериментальных зависимостей.

Для обеспечения единства измерений используют метрологи­ческие характеристики. При этом определяют допускаемые от­клонения реальных параметров от номи­нальных, а также до­пускаемые значения погрешностей. Для определения по­грешности измерений необходимо знать ее состав­ляющие: инструменталь­ную и методическую, которые являются систематическими погрешностями, а также случайную. Сведения о метрологических характеристиках рабочих средств измере­ний приводятся в нормативно-технических документах, например в техниче­ских паспортах.

На основании приобретенных практических навыков студент может самостоятельно проводить экспериментальные измерения и получать математические функции исследуемого процесса с использованием различных методов планирования в зависимости от поставленных задач. Обработка результатов экспериментальных исследований производится при помощи программ «Microsoft Excel» на ПЭВМ с применением метода наименьших квадратов, регрессионного и дисперсионного анализов.

1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Общая измерительная схема

Чтобы судить о поведении того или иного объекта управления, необходимо иметь сведения о количествен­ных и качественных характеристиках технологических процессов. Эти сведения могут поступать в виде инфор­мации человеку для принятия соответствующих решений (подсистемы контроля и сигнализации), а также используются и без его участия (подсистемы защиты, блокировки, управления и регулирования) автоматиче­скими устройствами.

С процесса измерения начинаются простые и очень сложные автоматизированные системы, и от того, с какой точностью измерена исходная величина, зависит результат дальнейшего преобразова­ния в последующих элементах системы.

Характер протекания во времени технологических процессов может оцениваться периодическими и непре­рывными измерениями, в последнем случае чаще всего пользуются записывающими измерительными устройст­вами.

Измерительным прибором называют средство изме­рений, вырабатывающее информационный сигнал в фор­ме, доступной для восприятия наблюдателем — челове­ком. Сигнал направляется от объекта управления (ОУ ) к опе­ратору (Оп ) (рис. 1). Главным элементом измеритель­ного прибора является первичный измерительный преобразователь, или датчик, часто называемый первичным прибором. Для передачи, обработки и хранения инфор­мации применяют промежуточные преобразователи, или вторичные приборы (ВП ). Измерительный прибор, показания которого отражают непрерывную функцию измеряемой величины, называют аналоговым, а если показания представляют в дискрет­ной форме — цифровым. У показывающего прибора предусмотрена только воз­можность считывания показаний, у регистрирующего — регистрация, например, запись на диаграмме (двухкоординатный самописец) или печать на ленте или диаграмме, например, светолучевым высокоскоростным осциллографом.

Датчик Измерительный прибор

Рис. 1. Общая схема измерительного прибора

При автоматическом управлении сигнал от чувстви­тельного элемента (ЧЭ ) — части датчика, находящегося под непосредственным воздействием измеряемой величи­ны, должен поступать в форме, удобной для использова­ния в каналах автоматической системы регулирования или управления.

Датчики классифицируют по измеряемой вход­ной величине, но более важной характеристикой является выходная величина, в которую преобразуется входная. Несмотря на большое число измеряемых величин, наиболее широко ис­пользуется относительно небольшая группа выходных сигналов: механические (перемещение или усилие), электрические (ЭДС, напряжение, сила тока), времен­ные (импульсная, частотная).

Датчики с электрическим выходным сигналом при­нято разделять на параметрические и генераторные. Первые преобразуют входную величину в изменение па­раметров (сопротивление, емкость и т. п.) электрической цепи, в которую они включены, вторые — в электродви­жущую силу. Соответствующими примерами могут слу­жить: термическое сопротивление (тензодатчики) и термоэлектрический термо­метр (термопара).

1.2. Параметры датчиков

Обобщенные характеристики датчиков принято раз­делять на статические, динамические и эксплуатацион­ные.

Основным показателем датчика, характеризующим его статическую точность, является чувствительность, под которой понимают отношение изменения выходной ве­личины к соответствующему изменению входной. Чувствительность датчиков, сопротивление и другие технические характеристики указываются в специальных упаковочных пакетах для датчиков.

Чувствительность датчика зависит от вида его стати­ческой характеристики, которой является аналитически или графически выраженная зависимость выходной ве­личины от входной. Для проведения измерений наиболее достоверные результаты могут быть получены при использовании датчиков с линейной и непрерывной характеристикой, что дает воз­можность делать шкалу прибора равномерной.

Большое значение имеет динамическая характеристи­ка датчика — зависимость выходного сигнала от вход­ного во времени, особенно при измерениях в нестацио­нарных условиях. Важнейшие эксплуатацион­ные требования включают не­обходимость несложной, на­дежной, недорогой и удобной конструкции, взаимозаменяемости, четкого контакта с объектом или средой и отсутствия обратного влияния датчика на объект. Нормальными условиями эксплуата­ции принято считать температуру внешней среды (20±5) °С, атмосферное давление (760+20) мм рт. ст. влажность (60±20) % при отсутствии вибрации, электри­ческих и магнитных полей.

1.3. Измерительные схемы подключения электрических датчиков

Существующие измерительные схемы можно разделить на неравновесные и равновесные, или компенсационные. Примером неравновесной схемы служит мостовая (рис. 2). Для равновесия моста необходимо соблю­дение условия

R1R4 =R2R3. Если поменять один из рези­сторов на терморезистор, то напряжение в диагонали изменится соответственно сопротивлению или измене­нию температуры.

При работе на переменном токе необ­ходимо активные сопротивления заменить полными ( z1z4 = z2z3 ). В измерительную диагональас (bd — диаго­наль питания) включают измерительный прибор, шкалу которого градуируют в единицах измеряемой величины. Выходной ток (напряжение) с диагонали можно подать на последующие элементы, например на вход усилителя «ТА-5» или

Рис. 2. Мостовая неравновесная измерительная схема

Мостовые равновесные схемы используются с датчиками-модуляторами, а потенциометрические — с дат­чиками генераторного типа, например с термопарами. Наибольшее распространение получил спо­соб автоматического уравновешивания. Приборы соответ­ственно получили название автоматических мостов и автоматических компенсаторов (потенциометров). На рис. 3 показана упрощенная равновесная мостовая измерительная схема.

Рис. 3. Мостовая равновесная схема

Мост автоматически балансируется при помощи переменного резистора R2, включенного последовательно с измерительной нитьюRК. Разбаланс моста воспринимает электронный фазочувствительный усилительУ (например, тензоусилитель «ТА-5»), который управляет реверсивным микродвигателемМ, приводящим в движение ползунок резистораR2, балансирующего мост, с одновременной фиксацией параметра на показывающем устройствеП или формированием регулирующего сигналау.

2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

2.1. Общие сведения

Усилительное устройство служит для увеличения мощности первичного измеритель­ного сигнала путем открытия доступа в канал управле­ния (регулирования) любого вида энергии от постороннего источника.

Основной статической характеристикой усилителя является коэффициент усиления по мощности К_N = N₂/N₁— отношение мощностей выходного и входного сигналов. В зависимости от устройства и принципа дей­ствия усилителяК_N может колебаться от 10 до 10 8 и бо­лее.

Усилители различают по виду энергоносителя (гидравлические, пневматические, электрические, электронные и комбини­рованные), по вы­ходной мощности, коэффициенту усиления (преобразо­вания), по статической характеристике (линейные и не­линейные).

Наиболее широкое распространение получили электронные усилители. При использованиидатчиков с маломощными выходными сигналами порядка нескольких микроватт требуется приме­нение электронных (ламповых и полупроводниковых) усилителей постоянного и переменного тока.

Принцип действия простейшего лампово­го усилителя представлен на рис. 4,а, кото­рый помимо анода А, катода К и управляющей сетки С_T имеет дополнительно нить накала Н, защитную З и экра­нирующую Э сетки для улучшения характеристик лампы. Входной сигнал от датчика подается на управляющую сетку через переменный резистор R, позволяющий регу­лировать усиление. Катод и защитная сетка соединены с землей через резистор R 1. параллельно которому вклю­чен конденсатор С 1. Они образуют цепь смещения. Ра­бота усилителя обычно представляется графически в виде семейства статических анодно-сеточных характеристик I_a = f (U₀ ) при U_a = сопst, изображенных на рис. 4,б. Характеристики имеют форму кривых с саморегулирова­нием и зоной насыщения Н. когда анодный ток достигает максимума, или зоной запирания З. когда анодный ток прекращается при некотором отрицательном потен­циале U_a . Для получения той или иной рабочей характе­ристики, т. е. смещения ее, как указано на рисунке пунктиром, служит цепочка R 1С 1. Коэффициент усиле­ния тем больше, чем больше «крутизна» характеристики.

На выходе схемы включен трансформатор (усилитель У ), первичная обмотка которого служит нагрузкой анодной цепи, а вто­ричная — выходом усилителя.

Ламповые усилители имеют выходную мощность до 500 Вт, поэтому для получения больших выходных мощ­ностей применяют тиратронные (трехэлектродные лампы) усилители. Ламповые усилители, например тензостанции «ТА-5», находят разнообразное применение ввиду их практической безинерционности, боль­шого входного сопротивления, широкого диапазона рабо­чих частот, нескольких приемных каналов для усиления, стабильности характеристик по отношению к параметрам внешней среды.

Рис. 4. Усилитель электронный

С изобретением полупроводникового триода (транзистора) уменьшились размеры приборов и их энергопотребление. В качестве полупроводниковых управляющих элемен­тов используются тиристоры, предназначенные для токов до 100 А и напряжений до 800 В. По принципу действия тиристор аналогичен тиратрону и обладает малой мощ­ностью сигнала управления, безинерционностью, боль­шим сроком службы. Полупроводниковые приборы, например «ТОПАЗ-4», весь­ма чувствительны к перегрузкам по напряжению и току. Допустимая пятикратная перегрузка не долж­на длиться более 5 мс, поэтому в схемах используют специальные защитные приспособления.

В табл.1 при­ведены сравнительные данные усилителей некоторых ти­пов.

Технические характеристики применяемых усилителей

2.2. Полупроводниковый усилитель «ТОПАЗ-4» для тензометрических измерений

Тензоусилитель «ТОПАЗ-4» (рис. 5), согласно техническому паспорту, предназначается для усилений выходных сигналов тензометрических и тензорезисторных датчиков, собранных по мостовой или полумостовой схеме, а также термопар. Этот прибор может быть применен в условиях перепада температур от -10 о С до +40 о С. при относительной влажности до 90 %. При динамических измерениях усилитель выдерживает постоянную вибрацию до 2 Гц.

Тензоусилитель «ТОПАЗ-4» широко используется при измерении сил, деформаций, моментов, температур и других параметров. В процессе работы прибор обеспечивает балансировку измерительных схем при постоянном питании датчиков стабилизированным напряжением. Прибор изготовлен по модульно-блочной схеме, включающей усилители, стабилизированные преобразователи и блок питания. На лицевой панели установлены: стрелочный измерительный прибор, кнопочный переключатель управления, сигнальный фонарь.

Связь прибора с датчиками осуществляется с помощью экранированных кабелей, присоединяемых к разъемам на задней стенке прибора, где также установлен предохранитель. Для автоматической защиты от короткого замыкания предусмотрен входной стабилизатор.

При усилении электрических сигналов датчиков, соединенных по полумостовой схеме, в комплекте прибора имеются специальные переходники НП 20-1.

Тензоусилитель «ТОПАЗ-4» может устанавливаться на ровную горизонтальную поверхность (стол, стеллаж), а также — крепиться к вертикальным стенкам.

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице 2.

Техническая характеристика тензоусилителя «ТОПАЗ-4»

Управление тензоусилителем осуществляется с помощью приборов, расположенных на передней панели:

— потенциометр « - » для установки нуля усилителя (начала измерений);

— потенциометр « Б » для балансировки усиливаемой измерительной схемы (мостовой или полумостовой);

— кнопка «М» для включения масштабного сигнала;

— кнопка «4,5 — 9» для установки напряжения питания датчика в зависи- мости от сопротивления датчиков;

— кнопка « » для ослабления входного сигнала в 2; 5 и 10 раз;

— кнопка « + ? » для переключения полярности выходного сигнала;

— кнопка «Вкл.» для включения прибора;

— кнопка «ПД» для включения питания датчиков;

— кнопка «ТОЧНО» для повышения чувствительности стрелочного прибора;

— переключатель «Выход — контроль» для стрелочного прибора к выходу одного из каналов или для измерения на выходе преобразователя и стабилизатора.

Подготовка прибора к работе

1. Необходимо подключить прибор к источнику питания, которым может быть аккумулятор, стабилизированный выпрямитель постоянного тока или специальный источник питания «АГАТ».

2. Перед включением все кнопки прибора должны быть в отжатом положении. Кабели прибора подсоединить к разъемам, расположенным на задней крышке усилителя.

3. Подсоединить датчики, расположенные на объекте исследования, к соответствующим кабелям прибора. При использовании полумостовой схемы подключения датчиков использовать специальный переходник НП 20-1.

4. Установить необходимое напряжение питания прибора и нажать кнопку «Вкл.», в результате чего должна загореться лампа зеленого цвета.

5. Для проверки балансировки измерительного моста необходимо потенциометром « - » установить стрелку в положение «0». Повышенная чувствительность прибора достигается нажатием кнопки «ТОЧНО».

6. Подключив питание к датчикам с помощью кнопки «ПД», производится первичная балансировка измерительного моста (полумоста) потенциометром «Б». После выбора режима работы производится окончательная балансировка измерительной схемы при нажатой кнопке «ТОЧНО». При этом стрелка не должна отклоняться более чем на половину деления шкалы прибора.

7. Необходимо производить периодическую проверку балансировки измерительной схемы.

Порядок проведения измерений

Тензоусилитель предназначен для измерения сил, деформаций, моментов вращения, давлений гидравлических систем и других процессов.

В соответствии с чувствительностью применяемых датчиков и схемой их соединения выбирают напряжение питания (4,5 или 9 В) и тип гальванометра, указанный в техническом паспорте прибора. При ненагруженном датчике включить масштабный сигнал кнопкой «М» (рис. 6).

Рис. 6. Примерная рабочая осциллограмма при измерении сил

или моментов вращения

Изменяя чувствительность прибора кнопкой « ». установить начальную ординату в пределах 35—45 мм.

Измерения проводить в следующей последовательности:

— произвести запись «нулевой» линии датчика с помощью осциллографа;

— включить масштабный сигнал «М» и произвести запись на осциллографе;

— отключить масштабный сигнал;

— подать нагрузку на исследуемый объект и произвести запись осциллограммы, примерный вид которой приведен на рисунке 6.

Определение величины измеряемого параметра в определенный момент времени ?_t производится по формуле:

где ?_м — масштабное значение измеряемого параметра в натуральных единицах;

Пример. При нагружении механического домкрата грузоподъемностью 3000 кг в процессе испытаний были получены следующие значения ординат:H_м = 50 мм,H_р = 35 мм. Величина приложенного напряжения составит:

3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ И РЕГИСТРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ

3.1. Исполнительные механизмы

Исполнительные устройства (механизмы), или серво­моторы, получают сигнал от усилителя и приводят в действие регули­рующий орган. Базовый принцип классификации серво­моторов — вид энергоносителя, в зависимости от которо­го они подразделяются на гидравлические, пневмати­ческие, электриче­ские и комбинированые.

По характеру перемещения рабочего органа бывают сервомоторы непрерывного и дискретного действия (открыто — за­крыто), а также поступательного и вращательного дви­жения.

Основными характеристиками сервомоторов яв­ляются: коэффициент усиления по мощности, скорость (посто­янная или переменная) и усилие (перемещение) на выходе. Конструктивно сер­вомотор часто представля­ет единый узел вместе с усилителем, в особенности в гид­равлических и пневматических устройствах.

Требования к исполнительным устройствам: линейное (угловое) перемещение согласуется с перемещением ре­гулирующего органа; статическая характеристика должна быть по возможности линейной; сервомотор — реверсивный, с рабочими органами минимальной мас­сы; мощность должна обеспечивать заданную скорость перемещения на любых режимах.

Среди электрических сервомоторов, получивших наи­большее распростране­ние в автоматике, следует назвать электродвигатели и электромагниты. По уст­ройству и принципу действия электрические двигатели классифицируют на асинхронные, синхронные и коллекторные. Асинхронные и синхронные явля­ются двигателями переменного тока, коллекторные могут ра­ботать на перемен­ном или постоянном, а универсальные — на переменном и постоянном токе. Асин­хронные двига­тели применяют для приводов с регулируемой и посто­янной час­тотой вращения, синхронные — для приводов с постоянной частотой вращения. Двигатели постоянного тока широко используются для приводов с регулируе­мой частотой, коллекторные переменного тока — в системах, где требуется час­тота вращения, превышающая 3000 мин -1. при промышленной частоте тока 50 Гц. В качестве сервопривода применяют асинхронные двигатели с короткозамк­нутым ротором.

Специфика использования электродвигателей в качестве сер­вомоторов определяет и характер предъявляемых к ним требований в отно­шении ревер­сивности, изменения частоты вращения и устойчивости в широ­ком диапазоне, линейности статической характе­ристики, большого пускового момента, самоторможения при снятии сигнала управ­ления, быстродействия, ма­лых габаритов и массы.