Управление технологическими процессами и технологические параметры
Понятия управления технологическими процессами. Иерархия управления промышленным предприятием. Автоматические системы регулирования и особенности обратной связи в них. Метрологические понятия, элементы измерительной цепи. Анализ методов измерений.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.05.2013 |
| Размер файла | 6,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
0-5; 0-20 мА
Напряжение постоянного тока
0-10; 0-100 мВ
Напряжение переменного тока
1-0-1; 0-2 В
Взаимная индуктивность
0-10; 10-0-10 мГн
Частота
4-8 кГц
б) дискретная
Код
По ГОСТ 13052-74
2. Пневматическая
Давление сжатого воздуха
0,2·105 - 1,0·105 Па
Унификация промежуточных сигналов позволила вместо специализированных измерительных приборов для измерения конкретных технологических параметров использовать небольшую группу приборов для измерения промежуточных параметров: тока, напряжения, частоты, взаимной индуктивности и давления сжатого воздуха. В производственных условиях это дает возможность сократить потребность в запасных приборах и частях к ним, облегчает их ремонт.
При выборе унифицированного промежуточного сигнала руководствуются главным образом длиной канала связи. При длине канала связи до 300 м в качестве промежуточного сигнала можно применять любой унифицированный сигнал, при длине до 10 км - постоянный ток или частотный сигнал, при большей длине - кодированный дискретный сигнал.
Иногда при выборе вида сигнала для дистанционной передачи приходится учитывать такие факторы, как пожаро - и взрывоопасность производства, помехоустойчивость канала связи и др. В этих случаях следует иметь в виду, что пневматический сигнал является пожаро - и взрывобезопасным, а код - наиболее помехоустойчивым.
Если первичный преобразователь имеет электрический выходной сигнал, то для упрощения измерительной цепи его обычно не преобразуют в унифицированный. Для измерения таких неунифицированных электрических сигналов применяют специальные измерительные приборы. Наиболее часто используют такие неунифицированные сигналы, как электрическое сопротивление терморезистора и э. д. с. термопары, которые служат для измерения температуры.
Наиболее распространенные промежуточные, унифицированные и выходные сигналы измерительных цепей приведены в табл. 2.
Таблица 2 Промежуточные, унифицированные и выходные сигналы измерительных цепей
|
Измеряемые параметры |
Промежуточные сигналы |
Унифицированные сигналы |
Выходные сигналы |
|
|
Давление Уровень Расход Температура Плотность Вязкость Влажность Концентрация |
Сила Перемещение (линейное или угловое) Электрическое сопротивление Э. д. с. |
Ток Напряжение Частота Взаимная индуктивность Код |
Положение отсчетного устройства Запись на диаграмме Число на цифровом индикаторе |
Выходные сигналы, приведенные в табл.2, применяют, когда результат измерения должен быть доступным для оператора. Если же измерительная цепь является элементом АСР и ее выходной сигнал поступает в регулятор, то в измерительном приборе нет необходимости.
Итак, в сложной измерительной цепи обычно применяют три способа связи первичного преобразователя с последним измерительным преобразователем (измерительным прибором, регулятором АСР, УВМ и т.п.):
1) прямая механическая связь посредством неэлектрического сигнала - силы или перемещения;
2) дистанционная связь посредством электрической неунифицированного сигнала (сопротивление терморезистора, э. д. с. термопары и т.п.);
3) дистанционная связь через промежуточный преобразователь посредством унифицированного сигнал ГСП.
Метрологические характеристики измерительных преобразователей
Ко всей измерительной цепи и к каждому преобразователю в отдельности предъявляются определенные требования: точность измерения или преобразования, заданная зависимость выходного сигнала от входного, чувствительность преобразователей, мощность выходного сигнала и др. Для соответствия этим требованиям каждый измерительный преобразователь и вся измерительная цепь должны обладать заданными метрологическими характеристиками.
Погрешности измерительных преобразователей. Любой технологический параметр невозможно измерить абсолютно точно. Это объясняется несовершенством измерительных преобразователей, воздействием на процесс измерения различных внешних возмущений и другим факторами. Поэтому всякое измерение производится с погрешностью, под которой понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемого параметра.
Погрешность измерения - основная метрологическая характеристика измерительных преобразователей и измерительной цепи. Поэтому изучение погрешностей является главным в теории измерений.
Различают случайные, грубые и систематические погрешности. Случайные погрешности изменяются случайным образом при многократных измерениях одного и того же параметра. Они принципиально не могут быть устранены или учтены при измерениях.
Грубые погрешности возникают вследствие неправильной организации процесса измерения (например, из-за неправильной эксплуатации измерительных преобразователей, неправильного отсчета показаний, выхода из строя какого-либо элемента измерительной цепи и т.п.). Такие погрешности принципиально могут быть обнаружены и устранены.
Кроме того, бывают погрешности, которые закономерно изменяются или остаются постоянными при многократных измерениях одного и того же параметра. Это систематические погрешности. Они вызваны недостатками методов измерений и конструкций измерительных преобразователей. Систематические погрешности могут быть вычислены и, следовательно, учтены в результатах измерений.
Погрешность измерения определяют по абсолютной величине (модулю) разности между измеренным и истинным значениями параметра. Это абсолютная погрешность измерения. Если через хп обозначить результат измерения, а через х - истинное значение параметра, то абсолютная погрешность Дх равна:
Дх = хи-х (1)
Например, если показания весов 11 г и известно, что истинная масса тела 10 г, то абсолютная погрешность измерения будет 1 г.
Поскольку истинное значение измеряемого параметра не может быть определено, так как его нельзя измерить абсолютно точно, то, следовательно, и точное определение погрешности измерения по формуле (1) принципиально невозможно. Поэтому для оценки погрешности измерения вместо неизвестного истинного значений измеряемого параметра х обычно используют результат измерения его более точным прибором или его значение, найденное теоретически.
Часто абсолютная погрешность оказывается неудобной для сравнения точности различных измерений. Так, ошибка в 1 г при взвешивании массы в 10 г значительно более существенна, чем при взвешивании массы в 1 кг, хотя абсолютная погрешность в обоих случаях одинакова. Поэтому вводится понятие относительной погрешности измерения. Относительная погрешность измерения д - отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемого параметра, т.е.
д = Дх/х= (хи-х) /х. (2)
Относительная погрешность в отличие от абсолютной - безразмерная величина и может быть выражена в процентах. Так, в нашем примере относительная погрешность равна 10%.
Точность измерительных преобразователей оценивают по приведенной погрешности г, которая определяется как отношение абсолютной погрешности Дх к некоторой постоянной нормирующей величине хN:
г = Дх/ хN. (3)
В качестве нормирующей величины чаще всего принимают диапазон возможного изменения входного сигнала преобразователя, так называемый диапазон измерения.
Приведенная погрешность, как и относительная, является безразмерной величиной и обычно выражается процентах. Кроме того, она пропорциональна абсолютной погрешности. Поэтому если абсолютная погрешность измерительного преобразователя постоянна во всем диапазоне измерения, то приведенная будет также постоянной. Следовательно, она характеризует точность измерительного преобразователя независимо от значения измеряемого параметра. Поэтому приведенную погрешность считают основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя.
Любой измерительный преобразователь подвержен возмущающим воздействиям, искажающим его выходной сигнал. Такими возмущающими воздействия: могут быть, например, изменение температуры, давление и влажности окружающего воздуха, напряжения источника питания, вибрация и т.п. Приведенная погрешность преобразователя изменяется под действием этих возмущений. В связи с этим для каждого измерительного преобразователя регламентируют нормальные условия эксплуатации (температуру и влажность в помещении, напряжение питания и т.п.).
Погрешность измерительного преобразователя при его эксплуатации в нормальных условиях является основной. Изменение основной погрешности, возникающее при отклонении условий эксплуатации от нормальных, - дополнительная погрешность преобразователя.
Наличие различных показателей точности - абсолютной и приведенной, основной и дополнительной погрешностей - затрудняет сравнение измерительных преобразователей. Поэтому необходима обобщенная характеристика их метрологических свойств. Такой характеристикой измерительного преобразователя является класс точности, под которым понимают его максимальную приведенную погрешность (в процентах) при нормальных условиях эксплуатации.
Погрешность преобразователя в каждом отдельном измерении может быть и меньше максимальной. Поэтому класс точности не может служить непосредственным показателем точности преобразователя, он лишь определяет предельное возможное значение приведенной погрешности. ГОСТом установлены стандартные классы точности измерительных преобразователей, например: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
При выборе измерительного преобразователя для измерения конкретного технологического параметра необходимо обращать внимание не только на его класс точности, но и на диапазон измерения. Например, необходимо измерить напряжение сети переменного тока 220 В. Имеются два вольтметра с одинаковыми классами точности 1,5, но с диапазонами измерения 0 - 300 В и 0 - 1000 В. Наибольшая абсолютная погрешность у таких вольтметров в соответствии с формулой (3) равна (нормирующие значения соответственно 300 и 1000 В):
Из приведенного примера видно, что при одном и том же классе точности прибор с меньшим диапазоном измерения дает меньшую абсолютную и, следовательно, относительную погрешность измерения, чем прибор с большим диапазоном.
Измерительный преобразователь, как любой элемент, преобразующий входной сигнал в выходной, может находиться в установившемся или неустановившемся состоянии. Все рассмотренные погрешности характеризуют измерительные преобразователи в состоянии равновесия. Если же измеряемый параметр изменяется во времени, то преобразователь находится в неустановившемся состоянии. При этом начинают проявляться его динамические свойства, которые приводят к тому, что выходной сигнал - результат измерения - изменяется не синхронно с входным - измеряемым параметром. В результате возникает дополнительная погрешность измерительного преобразователя, которая проявляется только в его неустановившемся состоянии.
Так, при мгновенном (скачкообразном) увеличении температуры, измеряемой ртутным термометром, ртуть в его баллоне будет нагреваться до новой температуры постепенно, в течение некоторого времени. Показания термометра в течение этого времени будут ниже измеряемой температуры (рис.9). Здесь мы сталкиваемся проявлением инерционности ртутного термометра преобразователя. Вследствие отставания результата измерения от измеряемой температуры и появляется дополнительная погрешность ртутного термометра.
Дополнительная погрешность измерительного преобразователя, возникающая при измерении изменяющегося во времени параметра, называется динамической в отличие от нее погрешность измерительного преобразователя при измерении постоянного параметра - статическая. Ясно, что динамическая погрешность измерительного преобразователя достигает наибольшей величины при наиболее резком, скачкообразном измене измеряемого параметра.
Чувствительность измерительных преобразователей. Чувствительность измерительного преобразователя характеризует его способность измерять малые сигналы Чем меньшие сигналы может измерять измерительный преобразователь, тем выше его чувствительность; например милливольтметром можно измерять очень малые, напряжения, порядка тысячных долей вольта. Обычный вольтметр не воспринимает такие сигналы и непригоден для их измерения.
На первый взгляд может показаться, что чем выше чувствительность и, следовательно, уже диапазон измерения преобразователя, тем он лучше. Однако с ростом чувствительности увеличивается и погрешность преобразователя. Это объясняется тем, что при уменьшении диапазона измерения не удается во столько же раз снизить абсолютную погрешность преобразователя. Поэтом; в формуле (3) для приведенной погрешности величина равная диапазону измерения, убывает быстрее, чем абсолютная погрешность Дх. Таким образом, чем выше чувствительность измерительного преобразователя, труднее обеспечить требуемую приведенную погрешность г, т.е. требуемый класс точности.
Поэтому для каждой конкретной конструкции измерительного преобразователя существует так называемый порог чувствительности - минимально возможный диапазон измерения, при котором абсолютная погрешность становится равной величине этого диапазона и, следовательно, приведенная погрешность достигает 100%. Ясно, что преобразователь, работающий в диапазоне, близком к своему порогу чувствительности, не пригоден для измерения. Наличие порога чувствительности ограничивает технические возможности измерения малых сигналов.
Рис. 9. Погрешность ртутного термометра при скачкообразном изменении температуры
Рис. 10. Линейная статическая характеристика преобразователя
Статическая характеристика измерительных преобразователей.
Для измерительного преобразователя важным метрологическим показателем является зависимость его выходного сигнала от входного в установившемся состоянии - статическая характеристика.
Обычно стремятся к линейной зависимости выходного сигнала от входного, т.е. к линейной статической характеристике (рис.10), которая определяется двумя величинами: начальным значением выходного сигнала ун, соответствующим начальному значению входного сигнала хн, и углом ее наклона б. Как видно из рис.10, тангенс угла наклона характеристики равен отношению диапазона изменения выходного сигнала преобразователя дy к диапазону изменения его входного сигнала дх. Эта величина называется коэффициентом передачи к измерительного преобразователя:
k=tg б =дy/дx (4)
Если входной и выходной сигналы преобразователя выражены в одинаковых единицах измерения, то коэффициент передачи оказывается безразмерным и в этом случае употребляют термин коэффициент усиления. Например, коэффициент усиления усилителя напряжения показывает, во сколько раз напряжение на его выходе больше напряжения, поданного на вход.
Метрологические характеристики измерительной цепи. В сложной измерительной цепи необходимо определить ее погрешность и коэффициент передачи. Однако, как правило, нельзя установить связь между результирующей погрешностью измерительной цепи и погрешностями составляющих ее преобразователей. Можно лишь оценить границы значений приведенной погрешности сложной цепи.
Если считать, что погрешности всех преобразователей измерительной цепи одного знака, то результирующая погрешность цепи будет равна их сумме. В этом случае погрешность сложной цепи окажется максимальной гmax:
гmax= г1 + г2 + … + гn (5)
где г1, г2, … гn - погрешности измерительных преобразователей цепи.
Более реальная оценка получается, если считать погрешности всех преобразователей случайными и вызванными независимыми между собой факторами. В этом случае приведенная погрешность цепи будет меньше гmax. Такая приведенная погрешность называется среднеквадратичной гск и находится по формуле
(6)
Формулы (5) и (6) используют для приближенной оценки величины приведенной погрешности сложной измерительной цепи. Как видно из этих формул, чтобы снизить погрешность всей измерительной цепи, следует уменьшить погрешности составляющих ее преобразователей.
Для определения коэффициента передачи сложной измерительной цепи ее удобно представить как один эквивалентный измерительный преобразователь (рис. 11).
Входным сигналом такого эквивалентного преобразователя будет входной сигнал первого преобразователя х1, а выходным - выходной сигнал последнего преобразователя хп+1. Коэффициент передачи эквивалентного преобразователя П по формуле (4) равен:
(7)
а с другой стороны:
(8)
Рис. 11. Эквивалентный преобразователь: П - эквивалентный преобразователь, П1, П2,…, Пn - измерительные преобразователи, х1, х2,. хn+1 - сигналы преобразователей
В соответствии с определением коэффициента передачи каждая дробь в правой части этого тождества представляет собой коэффициент передачи соответствующего преобразователя П1, П2,., Пn. Отсюда следует, что коэффициент передачи цепи последовательно включенных преобразователей равен произведению их коэффициентов передачи:
K=k1·k2·…·kn (9)
Из этой зависимости вытекает следующее правило: если статические характеристики всех преобразователей измерительной цепи линейны, то такой же будет и статическая характеристика измерительной цепи. Это правило широко применяется при создании промежуточных преобразователей и измерительных приборов.
В процессе эксплуатации измерительных преобразователей их метрологические характеристики могут изменяться. Поэтому с периодичностью, установленной ГОСТом, все технические средства измерений должны подвергаться поверке, при которой их показания сравниваются с показаниями более точного - образцового преобразователя. Класс точности образцового преобразователя должен быть не менее чем в три раза выше класса точности поверяемого. Так, для поверки преобразователя с классом точности 1,5 требуется преобразователь с классом точности 0,5.
Методы измерений
Измерение технологических параметров может производиться различными методами. Рассмотрим их на примере взвешивания тел на весах.
На рис. 12 показано взвешивание тел на пружинных весах без гирь, с использованием одной гири в качестве противовеса и на весах без пружины (рычажных) с набором гирь в качестве противовеса.
Рис. 12. Взвешивание тела: а - на пружинных весах без гирь, б - на пружинных весах с одной гирей, в-на рычажных весах с набором гирь; 1 - взвешиваемое тело, 2 - пружина, 3 - гири
Во всех трех случаях результат измерения отсчитывается после полного уравновешивания веса тела 1 силой сжатия пружины 2 и (или) весом гирь 3.
В первом случае (рис. 12, а) под действием веса тела пружина сжимается до тех пор, пока возникающая в ней сила сжатия не уравновесит вес тела. Здесь процесс уравновешивания происходит автоматически: уравновешивающая величина изменяется под действием измеряемой до наступления равновесия. Результат измерения - вес тела - отсчитывается по шкале весов.
Во втором случае (рис. 12, б) часть веса тела уравновешивается весом гири, а остальная - пружиной. Здесь процесс уравновешивания также происходит автоматически. Результат измерения - вес тела - отсчитывается, как и в первом случае, по шкале весов, но с учетом веса гири.
В третьем случае (рис. 12, в) пружины нет, а уравновешивание производится набором гирь. Равновесие наступает, когда стрелка весов останавливается в пределах шкалы. Ясно, что масса тела будет равна массе уравновешивающих его гирь. В этом случае процесс уравновешивания происходит уже не автоматически, а шкала весов служит лишь индикатором момента уравновешивания. Результат измерения - масса тела - в отличие от предыдущих случаев определяется только суммарной массой гирь.
Рассмотренные способы взвешивания иллюстрируют два возможных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой,
Мерой называется такой элемент измерительной цепи, который предназначен для частичного или полного уравновешивания измеряемого параметра. Мера может иметь как постоянную, так и переменную, но всегда известную величину. В рассмотренном примере мерой массы тела является гиря с известной массой (рис. 12, б) или набор таких гирь, позволяющий получать переменную массу (рис. 12, в).
При наличии гири постоянной массы пружина уравновешивает разность весов тела и гири. Поэтому метод измерений с частичным уравновешиванием измеряемой величины величиной меры - разностный или дифференциальный. При этом разность Дх: между величиной меры хм и измеряемой величиной х преобразуется в выходной сигнал у - показания измерительного прибора. В этом случае шкала прибора выполняется уже с учетом величины меры. Структурная схема этого метода измерений показана на рис. 13, б.
При полном уравновешивании взвешиваемого тела переменным набором гирь (переменной мерой) разность массы тела и набора гирь доводится до нуля. Метод измерений с полным уравновешиванием измеряемой величины величиной переменной меры называется нулевым или компенсационным. Выходным сигналом - показаниями прибора - здесь является величина переменной меры хм. Структурная схема этого метода измерения показана на рис. 13, в.
Из всех методов сравнения с мерой дифференциальный и нулевой методы измерения являются наиболее распространенными.
При взвешивании тела без гирь (см. рис. 12, а) уравновешивание производится только пружиной. Такой метод измерений без использования меры - метод непосредственной оценки. При этом измеряемый параметр х непосредственно преобразуется в выходной сигнал - показания прибора. Структурная схема этого метода измерения показана на рис. 13, а.
Рис. 13. Структурные схемы методов измерений: а - непосредственной оценки, б - дифференциальный, в - нулевой; ИЦ - измерительная цепь, ИН - индикатор нуля, М - мера, С - сумматор, х - измеряемый параметр, хм-величина меры, Дх - разность между измеряемым параметром и величиной меры
Рассмотрим теперь достоинства и недостатки каждого метода измерений.
Пусть взвешиваемые тела имеют массу в диапазоне от 40 до 50 кг. Как указывалось, для уменьшения погрешности измерений целесообразно применять измерительный прибор с наименьшим возможным диапазоном. Поэтому при взвешивании тел методом непосредственной оценки следует взять весы с диапазоном измерений 0-50 кг. Пусть класс точности весов 1,0. Тогда абсолютная погрешность взвешивания в соответствии с формулой (3) равна:
При дифференциальном методе измерений выберем в качестве меры гирю массой 40 кг. Тогда потребуются весы с диапазоном измерений 0-10 кг. В этом случае при том же классе точности весов абсолютная погрешность взвешивания будет:
Отсюда видно, что применение дифференциального метода вместо метода непосредственной оценки позволяет уменьшить абсолютную погрешность измерений в 5 раз при одном и том же классе точности измерительного прибора.
При взвешивании тех же тел нулевым методом, как отмечалось, весы играют роль индикатора нуля, а результатом измерений (показаниями прибора) является масса набора гирь, уравновешивающих взвешиваемое тело. Погрешность измерений в этом случае определяется порогом чувствительности весов. В самом деле, в момент уравновешивания масса набора гирь может отличаться от массы тела лишь на величину, равную порогу чувствительности весов. А так как порог чувствительности является лишь частью абсолютной погрешности весов, то при прочих равных условиях погрешность взвешивания нулевым методом будет меньше, чем дифференциальным.
Следовательно, в нашем примере погрешность взвешивания нулевым методом меньше 0,1 кг.
Таким образом, погрешность измерений может быть уменьшена при переходе от метода непосредственной оценки к дифференциальному и от дифференциального к нулевому. Однако такое уменьшение погрешности измерений достигается усложнением измерительной цепи: при дифференциальном методе уже требуется наличие меры, а при нулевом методе величину меры необходимо еще и изменять.
Дальнейшего совершенствования методов измерений можно добиться применением обратной связи, которая позволяет автоматизировать процесс уравновешивания при нулевом методе. Для этого индикатор нуля охватывается отрицательной обратной связью посредством подачи его выходного сигнала на вход через интегратор И, измерительный преобразователь ОП в цепи обратной связи, называемый обратным, и сумматор С (рис. 14).
Рис. 14. Структурная схема нулевого метода измерений с автоматическим уравновешиванием: С - сумматор, ИН - индикатор нуля, И - интегратор, П - выходной преобразователь, ОП - преобразователь в цепи обратной связи, х - измеряемый параметр, хм - величина меры, Дх - разность между измеряемым параметром и величиной меры, х1, - выходной сигнал индикатора нуля, х2 - выходной сигнал интегратора
Выходной сигнал интегратора х2 представляет собой результат измерений входного сигнала - измеряемого параметра х, а обратный преобразователь играет роль переменной меры. Благодаря наличию интегратора такая следящая система является астатической.
Рассмотрим ее как астатическую следящую АСР (см. рис.5, б). В такой АСР разность Дх между измеряемым параметром х и величиной меры хм является рассогласованием. Действие обратной связи приводит к тому, что в установившемся состоянии рассогласование Дх равно нулю, т.е. сигнал хм равен измеряемому сигналу х. Поэтому измеряемый параметр х связан с результатом измерений х2 точно так же, как связана с ним величина меры хм.
Но сигнал хм является выходным сигналом обратного преобразователя ОП, а сигнал х2 - входным. Следовательно, зависимость результата измерений х2 от измеряемого параметра х определяется только метрологическими характеристиками обратного преобразователя.
Заметим, что автоматического уравновешивания измеряемого параметра величиной меры можно также добиться применением статической АСР с достаточно глубокой обратной связью. Схема такой АСР отличается от приведенной на рис. 14 только отсутствием интегратора И. Установившееся отклонение сигнала хм от измеряемого сигнала х в этом случае не равно нулю (Дх?0), но его можно сделать достаточно малым при увеличении глубины обратной связи. Достоинством нулевого метода измерений на основе статической АСР является отсутствие интегратора, что в некоторых случаях дает возможность значительно упростить конструкцию измерительной цепи.
Автоматизация процесса уравновешивания позволяет широко применять нулевой метод измерений в промежуточных преобразователях и измерительных приборах. В большинстве же первичных преобразователей ни дифференциальный, ни нулевой методы, к сожалению, не могут быть использованы. Это объясняется тем, что практически невозможно создать обратный преобразователь с выходным сигналом той же природы, что и измеряемый технологический параметр: расход, температура, концентрация, уровень и т.п. Поэтому в первичных преобразователях применяется, как правило, метод непосредственной оценки.
Элементы измерительных преобразователей
Механические преобразователи
В настоящее время в технике широко применяют блочный принцип построения сложных технических устройств. В соответствии с этим принципом функции, выполняемые сложным устройством, разбивают на ряд простых, элементарных. Элементарные функции выполняют и более простые устройства. Любое сложное устройство может быть собрано из таких простых устройств.
Любую АСР, например, можно собрать из унифицированных элементов: измерительных устройств, сумматоров, регуляторов и регулирующих органов.
Измерительную цепь также целесообразно разбить на ряд элементов: первичный преобразователь, промежуточные преобразователи и измерительный прибор. Это позволяет существенно сократить номенклатуру и унифицировать промежуточные преобразователи, измерительные приборы. Вообще, блочный принцип дает возможность унифицировать отдельные элементы сложных устройств и облегчает их соединение.
При построении промежуточных преобразователей и измерительных приборов также используют блочный принцип, разбивая их на простейшие преобразователи, каждый из которых выполняет, как правило, одну элементарную функцию. Примерами простейших преобразователей являются рычаг, пружина, сильфон, неуравновешенный мост и т.п. Однако такие простейшие преобразователи обычно не обеспечивают требуемых метрологических характеристик преобразования: погрешности, стабильности, линейности, чувствительности, а также мощности выходного сигнала. Поэтому в промышленных преобразователях и измерительных приборах применяют комбинации простейших преобразователей с использованием обратной связи, корректирующих и регулирующих элементов, усилителей сигналов и т.п.
Простейшие преобразователи являются основными элементами промышленных измерительных преобразователей и называются элементарными.
Наиболее распространенные механические элементарные преобразователи приведены в табл. 3.
Таблица 3. Механические элементарные преобразователи
|
Элементарный преобразователь |
Входной сигнал |
Выходной сигнал |
|
|
Рычаг |
Сила |
Угловое (линейное) перемещение |
|
|
Пружина |
Линейное перемещение |
Сила |
|
|
Сила |
Линейное перемещение |
Рычаг. Служит для преобразования силы F в угловое перемещение (рис. 15). При малых углах поворота рычага перемещение всех его точек почти линейное. Поэтому рычаг с малым углом поворота можно считать преобразователем силы в линейное перемещение l.
Рычаг может находиться в состоянии равновесия только при отсутствии входного сигнала, когда действующая на него сила F равна нулю.
При наличии входного сигнала (F?0) рычаг будет непрерывно поворачиваться и его выходной сигнал - перемещение l - непрерывно изменяться.
При снятии входного сигнала это изменение прекратится, а положение рычага в этот момент может оказаться любым. Такой вид зависимости выходного сигнала от входного характерен для интегратора.
Следовательно, рычажный преобразователь силы в перемещение является интегратором.
Пружина. Служит для преобразования линейного перемещения l в силу F (рис. 16). Между деформацией пружины l и усилием F имеется линейная зависимость:
F=kl. (10)
Коэффициент пропорциональности k, называемый жесткостью пружины, представляет собой коэффициент передачи ее как преобразователя. Жесткость каждой пружины - постоянная величина. Жесткости пружин различного назначения могут сильно отличаться. Существуют пружины, обладающие очень большой жесткостью, например пружины в рессорах железнодорожных вагонов. Имеются и пружины с очень малой жесткостью, например в наручных часах.
Рис. 15 Рычаг Рис. 16. Пружина
С помощью пружины можно производить и обратное преобразование силы в перемещение. При этом ее статическая характеристика также будет линейной.
Электрические элементарные преобразователи
Наиболее распространенные электрические элементарные преобразователи приведены в табл. 4.
Таблица 4 Электрические элементарные преобразователи
|
Элементарный преобразователь |
Входной сигнал |
Выходной сигнал |
|
|
Реостат |
Линейное перемещение |
Электрическое сопротивление |
|
|
Неуравновешенный мост |
Электрическое сопротивление |
Напряжение |
|
|
Магнитоэлектрический преобразователь |
Ток |
Сила |
|
|
Трансформаторный преобразователь |
Линейное или угловое перемещение |
Взаимная индуктивность |
|
|
Усилитель |
Напряжение |
Напряжение |
|
|
Реверсивный электродвигатель |
Напряжение |
Угол поворота (угловое многооборотное перемещение) |
Реостат. Представляет собой намотанную на каркас проволочную спираль, по которой перемещается передвижной контакт (рис.17). Реостат предназначен для преобразования перемещения l в изменение электрического сопротивления R.
Существуют реостаты с линейной и нелинейной характеристиками. Зависимость выходного сигнала от входного для реостатов с линейной характеристикой имеет вид:
R = kl. (11)
Коэффициент пропорциональности k и в этой формуле является коэффициентом передачи реостата.
Рис. 17. Реостат
Рис. 18. Делитель: а - схема, б - статическая характеристика
Достоинство реостата как преобразователя - возможность получения любой заданной зависимости выходного сигнала от входного, например линейной или квадратичной.
Следует иметь в виду, что для работы реостата как преобразователя его необходимо включить в электрическую цепь. При этом в зависимости от способа включения выходным сигналом реостата может быть напряжение на нем, ток или сопротивление. В последнем случае его включают в специальную схему, называемую уравновешенным мостом.
Неуравновешенный мост. Некоторые технологические параметры, например температура, первичным преобразователем преобразуются в изменение электрического сопротивления. Такие преобразователи можно рассматривать как резисторы с переменным сопротивлением. Для работы переменного резистора его, так же как и реостат, необходимо включить в электрическую цепь. В качестве такой цепи часто используют неуравновешенный мост, который преобразует переменное сопротивление в напряжение.
Чтобы понять принцип действия неуравновешенного моста, рассмотрим сначала более простой преобразователь сопротивления в напряжение, называемый делителем. Делитель представляет собой последовательное соединение переменного резистора R1 и постоянного резистора R2, включенных по схеме, показанной на рис.18, а. Входным сигналом делителя является сопротивление резистора R1, а выходным - напряжение на нем U1.
Для работы делителя на него необходимо подать напряжение питания Uпит При изменении входного сигнала - сопротивления R1 - изменяется и общее сопротивление делителя, равное R1+ R2. При этом изменяется ток через делитель i и напряжение на переменном резисторе U1, т.е. выходной сигнал. В соответствии с законом Ома для участка цепи ток i через делитель равен:
(12)
а напряжение на резисторе определяется по формуле
(13)
Статическая характеристика делителя приведена на рис.18, б, откуда видно, что она нелинейная.
Кроме нелинейности характеристики делитель обладает еще одним недостатком: его выходное напряжение равно нулю при нулевом сопротивлении переменного резистора. Диапазон же изменения сопротивления переменных резисторов, применяемых в качестве первичных преобразователей, как правило, начинается не от нуля, а от некоторого начального сопротивления. Поэтому значительная часть возможного диапазона изменения выходного напряжения делителя оказывается неиспользованной.
Этого недостатка лишен неуравновешенный мост (рис. 19, а), благодаря применению в нем двух параллельно включенных делителей: рассмотренного выше с переменным резистором R1и второго - с постоянными резисторами R3 и R4. Резисторы, составляющие мост, называются его плечами.
Рис. 19. Неуравновешенный мост: а - схема, б - статическая характеристика, в - структурная схема неуравновешенного моста вблизи состояния равновесия; С - сумматор, П - преобразователь
Входным сигналом моста является сопротивление переменного резистора R1 а выходным - напряжение U, равное разности выходных сигналов делителей U1 и U2.
Выходной сигнал постоянного делителя связан с сопротивлениями его резисторов, так же как и в переменном делителе, по формуле
(14)
Поэтому для неуравновешенного моста зависимость выходного сигнала U от входного R1 имеет вид:
, (15)
т.е. . (16)
График этой зависимости приведен на рис. 19, б. Как видно из графика, зависимость выходного сигнала неуравновешенного моста от входного нелинейная. Из графика также видно, что выходное напряжение неуравновешенного моста U равно нулю при ненулевом сопротивлении переменного резистора R1 (точка а). Как следует из формулы (16), подбором сопротивлений постоянных плеч моста всегда можно добиться того, чтобы нулевой выходной сигнал соответствовал началу диапазона изменения сопротивления переменного резистора (чтобы начало диапазона было в точке а).
Состояние моста, при котором его выходной сигнал равен нулю, называется состоянием равновесия, а мост в этом состоянии - уравновешенным.
Обозначим значение измеряемого сопротивления R1 при котором достигается равновесие моста, через Rм. Тогда из формулы (16), полагая U=0, найдем условие равновесия:
RмR4=R2R3 (17)
Отсюда следует, что мост уравновешен, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.
Обозначим теперь через ДR отклонение сопротивления R1 переменного резистора от величины Rм, т.е.
ДR=R1-Rм (18)
Величина Rм постоянна и может быть найдена по формуле (17) через сопротивления постоянных плеч моста.
Как видно из графика (рис. 19, б), при малых отклонениях от состояния равновесия моста (вблизи точки а), т.е. когда величины ДR и U малы, зависимость выходного сигнала U от отклонения ДR приближенно можно считать линейной:
U=k·ДR (19)
где коэффициент пропорциональности k - коэффициент передачи моста вблизи состояния равновесия. Как следует из формул (18) и (19), в неуравновешенном мосту вблизи состояния его равновесия производятся две операции: алгебраическое суммирование (вычитание) измеряемого сопротивления R1 и постоянной величины Rм; линейное преобразование их разности ДR в выходное напряжение моста U. Поэтому неуравновешенный мост как преобразователь сопротивления R1 в напряжение U можно представить в виде последовательного соединения двух функциональных элементов (рис. 19, в): сумматора С с выходным сигналом ДR и преобразователя П с выходным сигналом U. Из сравнения рис. 19, в и 13, б можно заключить, что неуравновешенный мост реализует дифференциальный метод измерения, а сопротивление Rм представляет собой величину постоянной меры. Особенность неуравновешенного моста заключается в том, что мера конструктивно является частью моста и образована резисторами его постоянных плеч.
Магнитоэлектрический преобразователь
Предназначен для преобразования тока в силу (рис. 20). Он состоит из постоянного магнита 1 и магнитопровода 2, образующих магнитную цепь, в разрыве которой помещена катушка 3.
Рис. 20 Магнитоэлектрический преобразователь: 1 - постоянный магнит, 2 - магнитопровод, 3 - катушка
При взаимодействии электрического тока i, протекающего по катушке, с полем постоянного магнита возникает сила F, действующая на катушку. Зависимость этой силы от тока по закону силового действия тока выражается формулой
F=k·i (20)
где коэффициент пропорциональности k является коэффициентом передачи магнитоэлектрического преобразователя.
Достоинством магнитоэлектрического преобразователя является линейность его характеристики.
Трансформаторный преобразователь. Трансформаторный, или взаимоиндуктивный, преобразователь служит для преобразования перемещения во взаимоиндуктивность. Для преобразования линейных перемещений наибольшее применение получили дифференциально-трансформаторные преобразователи, а для угловых перемещений - ферродинамические.
Чтобы понять принцип действия дифференциально-трансформаторного преобразователя, рассмотрим сначала более простой преобразователь линейного перемещения во взаимоиндуктивность (рис.21, а). Он представляет собой трансформатор, состоящий из двух обмоток: первичной 1 и вторичной 2, расположенных на каркасе 3. Внутри каркаса может перемещаться железный плунжер 4, который изменяет магнитную, проницаемость среды. Поэтому выходной сигнал трансформатора - взаимоиндуктивность его обмоток М - зависит от входного сигнала - положения плунжера 1. Взаимоиндуктивность максимальная, когда плунжер находится в середине каркаса, и уменьшается при его выдвижении из каркаса. График зависимости выходного сигнала трансформатора М от входного 1 приведен на рис. 21, б.
Рис. 21. Трансформаторный преобразователь: а - устройство, б - статическая характеристика; 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка, 3 - каркас, 4 - плунжер.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь (рис. 22, а) состоит из двух одинаковых трансформаторов с общим каркасом и плунжером. Обе обмотки каждого трансформатора расположены на одной из половин каркаса.
Электрическая схема дифференциально-трансформаторного преобразователя показана на рис. 22, б. Как видно из схемы, первичные обмотки обоих трансформаторов соединены так, что одна является продолжением другой (согласное включение обмоток). Вторичные же обмотки трансформаторов соединены встречно, т.е. так, что их э. д. с. взаимоиндукции вычитаются друг из друга (встречное включение). Поэтому и взаимоиндуктивность дифференциально-трансформаторного преобразователя равна разности взаимоиндуктивностей составляющих его трансформаторов.
Графики зависимостей взаимоиндуктивности каждого трансформатора М1, М2 и взаимоиндуктивности всего дифференциально-трансформаторного преобразователя М (выходной сигнал) от перемещения плунжера l (входной сигнал) приведены на рис. 22, в. Из этих графиков видно, что при среднем положении плунжера (l=0) взаимоиндуктивности обоих трансформаторов одинаковы и их разность М равна нулю.
В промышленных дифференциально-трансформаторных преобразователях ход плунжера выбирается малым по сравнению с длиной катушек трансформатора (обычно не более 5 мм). При этом, как видно из рис. 22, в, зависимость взаимоиндуктивности М от перемещения плунжера l можно считать линейной:
М=k·l (21)
где коэффициент пропорциональности M является коэффициентом передачи дифференциально-трансформаторного преобразователя.
Рис. 22. Дифференциально-трансформаторный преобразователь: а - устройство, б - электрическая схема, в - статическая характеристика; 1 - первичные обмотки, 2 - вторичные обмотки, 3 - каркас, 4 - плунжер
Линейность статической характеристики выгодно отличает дифференциально-трансформаторный преобразователь от простого трансформаторного.
Рассмотрим теперь ферродинамический преобразователь углового перемещения во взаимоиндуктивность (рис. 23, а). Он представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого 1 намотана на железный сердечник 2, а вторичная обмотка 3 выполнена в виде поворотной рамки и находится в зазоре между концами сердечника. В соответствии с законом электромагнитной индукции взаимоиндуктивность М обмоток 1 и 3 ферродинамического преобразователя зависит от положения вторичной обмотки по отношению к силовым линиям магнитного поля между концами сердечника.
Когда рамка со вторичной обмоткой расположена вдоль силовых линий, взаимоиндуктивность равна нулю. При повороте рамки в ту или иную сторону от этого положения взаимоиндуктивность увеличивается по абсолютной величине, а знак ее зависит от направления поворота рамки. График зависимости выходного сигнала ферродинамического преобразователя - взаимоиндуктивности М - от входного сигнала - угла поворота рамки ц - приведен на рис. 23, б.
Рис. 23. Ферродинамический преобразователь: а - устройство, б - статическая характеристика; 1 - первичная обмотка, 2 - сердечник, 3 - вторичная обмотка (рамка)
В промышленных ферродинамических преобразователях используется небольшой угол поворота рамки (обычно ±20°), при котором зависимость взаимоиндуктивности М от угла поворота ц остается линейной:
М = k·ц, (22)
где коэффициент пропорциональности k является коэффициентом передачи ферродинамического преобразователя.
Необходимо иметь в виду, что трансформаторный преобразователь необходимо включать в электрическую цепь переменного тока. При этом аналогично реостатному преобразователю его выходным сигналом будет напряжение U или ток i. Выходной сигнал трансформаторного преобразователя в виде взаимоиндуктивности можно получить только включив его в мост переменного тока.
При включении трансформаторного преобразователя по обычной, не мостовой схеме (см. рис. 22, б и 23, а) его выходной сигнал U или i будет зависеть от колебаний питающего напряжения Uпит, что является недостатком данной схемы. Для устранения этого недостатка приходится применять стабилизированные источники питания.
Трансформаторные преобразователи, так же как и реостатные, преобразуют линейное перемещение в электрический сигнал. Казалось бы, для этой цели можно ограничиться реостатным преобразователем, как более простым. Однако трансформаторные преобразователи обладают существенным преимуществом перед реостатными: у них нет подвижных электрических контактов. Это преимущество является решающим при работе преобразователя в агрессивных средах, где подвижные электрические контакты ненадежны.
Усилитель. В измерительных цепях усилители предназначены для пропорционального усиления электрических сигналов. Различают усилители сигнала по величине - усилители напряжения или тока и усилители сигнала по мощности - усилители мощности, не изменяющие величины усиливаемого сигнала. Усиление сигналов по величине применяется в измерительных цепях, построенных по принципу следящей системы, для увеличения глубины обратной связи. Усилители мощности применяют обычно для устранения нагрузочного эффекта.
Реверсивный электродвигатель. По своим свойствам реверсивный электродвигатель, как преобразователь, является интегратором. Действительно, пока к нему приложено напряжение, вал электродвигателя вращается. При снятии напряжения вал останавливается. Таким образом, при наличии входного сигнала выходной сигнал такого преобразователя непрерывно изменяется, а при отсутствии его может быть любым, но неизменным. Такие свойства характерны для интегратора. Поэтому реверсивный электродвигатель обычно применяется в измерительных приборах с астатической обратной связью.
Пневматические элементарные преобразователи
В настоящее время пневматические устройства применяются в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Это объясняется простотой устройства и надежностью в эксплуатации пневматических приборов и регуляторов, а также их пожаро-и взрывобезопасностью.
В пневматике используется унифицированный сигнал - давление сжатого воздуха в диапазоне от 0,2·105 до 1,0·105 Па. Это позволяет соединять различные приборы и регуляторы без дополнительного согласования их входных и выходных сигналов.
Все многочисленные устройства пневматики состоят из небольшого числа элементов: пневматических резисторов, камер, измерительных элементов и др. Действие этих элементов в статике (когда воздух не движется) и в динамике (при движении воздуха) различное.
Рассмотрим основные законы пневматики.
В статике основным законом пневматики является зависимость между давлением сжатого воздуха р и вызываемой им силой F:
F = S·р, (23)
где S - площадь, на которую действует давление.
Движение воздуха по трубкам, через камеры и другие элементы сопровождается трением его о стенки, внезапными сужениями, расширениями и поворотами потока. Все это создает сопротивление движению воздуха, подобно сопротивлению электрической цепи прохождению тока.
Вообще существует аналогия между расходом воздуха через элемент и силой тока в электрической цепи, перепадом давления на элементе и падением напряжения и, наконец, сопротивлением элемента движению воздуха и электрическим сопротивлением. Поэтому зависимость между расходом воздуха Q через элемент и перепадом давления на нем Др аналогична закону Ома и имеет вид:
Q= Др/R (24)
где R - пневматическое сопротивление элемента.
Эта зависимость является основным законом пневматики в динамике и часто называется пневматическим аналогом закона Ома.
Величина пневматического сопротивления любого элемента является постоянной лишь при ламинарном режиме движения, когда воздух движется через элемент параллельными струями, не перемешиваясь. С увеличением скорости возникает турбулентный режим движения, при котором воздух движется с завихрениями и перемешивается. При этом пневматическое сопротивление становится величиной переменной и зависит от перепада давления на элементе. Эта зависимость имеет вид:
, (25)
где k - коэффициент пропорциональности.
Здесь можно провести аналогию с диодом, внутреннее сопротивление которого также не является постоянным и зависит от приложенного напряжения.
В пневматике пневматическое сопротивление создается специальными устройствами - пневматическими резисторами, или дросселями. Сопротивление движению воздуха в таких устройствах достигается за счет сужения проходного сечения воздушного канала. В цепях пневмоавтоматики дроссели имеют такое же значение, что и резисторы в электрических цепях.
В зависимости от назначения дроссели разделяют на постоянные и переменные. Проходное сечение постоянных дросселей в процессе работы не изменяется. Они являются аналогами постоянных резисторов. У переменных дросселей проходное сечение можно изменять в определенных пределах. Такие дроссели аналогичны переменным резисторам (например, реостатам).
Подобные документы
Геологическая характеристика, организация работ и проектная мощность шахты. Применение и работа скребкового конвейера. Диспетчеризация, связь и системы управления технологическими процессами на шахте. Аппаратура защитного отключения тупиковых забоев.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 04.06.2012Обзор основных функций автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), способы их реализации. Виды обеспечения АСУ ТП: информационное, аппаратное, математическое, программное, организационное, метрологическое, эргономическое.
презентация [33,7 K], добавлен 10.02.2014Регулирующие системы автоматического управления. Автоматические системы управления технологическими процессами. Системы автоматического контроля и сигнализации. Автоматические системы защиты. Классификация автоматических систем по различным признакам.
реферат [351,0 K], добавлен 07.04.2012Метрологические характеристики и погрешности измерений и измерительных приборов. Технические данные, назначение, устройство и принцип работы логометров. Основные виды, принципы действия и области применения механических и гидростатических уровнемеров.
контрольная работа [580,5 K], добавлен 02.11.2010Информационная поддержка жизненного цикла изделия. Иерархические уровни автоматизированной системы управления технологическими процессами. Техническое и программное обеспечение АСУТП. Отличительные особенности SCADA-систем, способы связи с контроллерами.
презентация [516,5 K], добавлен 22.10.2014Общие положения теории управления технологическими процессами. Моделирование как метод исследования технологических процессов и получение оптимальных решений. Значение эксперимента в моделировании технологических объектов. Основные термины и понятия.
курс лекций [521,1 K], добавлен 27.06.2012Классификация систем управления и их характеристики. АСУ ТП с вычислительным комплексом в роли советчика. Система автоматического регулирования. Классификация стали и особенности ее производства конверторным, мартеновским и электроплавильным способом.
реферат [40,7 K], добавлен 08.12.2012Устройство управления рабочими механизмами как неотъемлемая часть автоматизированной системы управления технологическими процессами, его принцип работы и назначение. Выбор и обоснование элементной базы данного устройства, проведение теплового расчета.
курсовая работа [181,5 K], добавлен 03.06.2010Анализ организационно-правовых форм предприятий России. Производственная и организационная структура управления ОАО "Метафракс". Метрологическое обеспечение производства метанола. Автоматизация системы управления технологическими процессами предприятия.
отчет по практике [684,2 K], добавлен 18.04.2015Расчет тепловой нагрузки и выбор технологического оборудования котельной. Тепловой расчет котла ПК-39-II M (1050 т/ч) при сжигании смеси углей. Расчет тяги и дутья. Обоснование и выбор аппаратуры учета, контроля, регулирования и диспетчеризации котельной.
дипломная работа [1011,5 K], добавлен 13.10.2017
