Способы коррекции измерительных схем. Принцип действия электромагнитных усилителей, их характеристики
Методы для повышения точности каналов автоматических информационно-измерительных систем и систем управления. Способы коррекции погрешностей: калибровка, способ образцовых сигналов и др. Принцип действия магнитного усилителя, его основные характеристики.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.05.2016 |
| Размер файла | 498,2 K |
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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский Федеральный Университет»
Институт Нефти и Газа
Реферат
По дисциплине: «Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства»
На тему: «Способы коррекции измерительных схем. Принцип действия электромагнитных усилителей, их характеристики»
Автор: студент гр. ЗНБ 12-02 Шеюхин Д.П.
Руководитель Васильев С.И.
Красноярск 2016
Содержание
Введение
1. Пути снижения погрешностей измерения
2. Коррекция погрешностей
2.1 Калибровка
2.2 Аддитивная коррекция
2.3 Мультипликативная коррекция
2.4 Автоматическая коррекция способом итераций
2.5 Фильтрация погрешностей
2.5.1 Выбор оптимальных параметров фильтра
2.6 Пределы корректирования
3. Магнитный усилитель
3.1 Принцип действия магнитного усилителя
3.2 Основные характеристики магнитных усилителей
Заключение
Список литературы
Введение
Любой датчик или первичный измерительный преобразователь (ПИП) и последующие преобразователи измерительного канала (ИК) работают в сложных условиях, которые изменяются во времени. Это обусловлено сначала тем, что контролируемый технологический процесс характеризуется рядом технологических параметров, которые изменяются в широком диапазоне значений. Эти параметры влияют на ПИП и другие преобразователи измерительного канала. Кроме того, на элементы ИК влияет окружающая среда. Всё это приводит к тому, что возникают погрешности измерения, которые изменяются в процессе контроля и управления технологическими процессами.
Проблема повышения точности измерений, разумеется, не нова. Но до сравнительно недавнего времени эта проблема серьезно интересовала в основном лишь метрологов, создающих эталоны единиц физических величин, образцовые средства измерений, и исследователей, определяющих значения физических констант. Кроме того, эта проблема решалась применительно главным образом к лабораторным статическим измерениям, т. е. к измерениям мало изменяющихся во времени величин, производимым в постоянных, мало изменяющихся спокойных внешних условиях. При этом наибольшую долю общей погрешности результатов измерений составляла собственная погрешность применяемых измерительных приборов, т. е. погрешность, обусловленная главным образом несовершенством конструкции и материалов, из которых изготавливались приборы. Отсюда вытекали и обычно применявшиеся методы повышения точности результатов измерений: повышение стабильности, "точности" конструкций измерительных приборов, применение для их изготовления наиболее стабильных материалов, с одной стороны, и тщательный, часто весьма кропотливый, трудоемкий учет даже малых изменений внешних условий и статистическая обработка результатов измерений, с другой стороны.
На следующем этапе развития техники измерений условия эксплуатации измерительной техники стали ужесточаться, хотя требования к точности результатов технических измерений по сравнению с современными требованиями и были вначале достаточно мягкими. Это вызвало многочисленные исследования и разработку новых принципов построения схем и конструкций измерительных приборов, направленные на уменьшение зависимости погрешности измерительных приборов от внешних условий - главным образом от механических воздействий, температуры, скорости (частоты) изменения измеряемых величин.
Одновременно с разработками новых принципов построения схем измерительных приборов шло освоение и массовое внедрение в измерительную технику мощного метода стабилизации характеристик преобразователей - метода отрицательной обратной связи.
С появлением современных требований к измерительным процессам все применявшиеся методы и средства оказались недостаточными. Это послужило причиной новой интенсификации исследований и разработок, направленных на значительное, качественное повышение точности результатов измерений при жестких, широко изменяющихся условиях эксплуатации измерительных средств. Исследования можно разделить на два самостоятельных и, вообще говоря, мало связанных между собой направления. Первое связано с изучением применяемых методов (особенно при косвенных измерениях) в целях учета возможных методических погрешностей измерений. Второе связано с разработкой новых принципов построения измерительных приборов и преобразователей - измерительных устройств (ИУ), адекватных отмеченным выше современным требованиям к измерительным процессам.
Естественно, что эти принципы относятся главным образом к автоматизации измерительных устройств. В частности, интенсивное развитие получили цифровые ИУ.
В последние годы проведено весьма большое количество разнообразных работ, направленных на создание как конкретных схем автоматических ИУ повышенной точности, так и новых автоматизированных методов повышения точности ИУ. Большой интерес представляют те разработки, в которых высокая точность ИУ при жестких условиях эксплуатации достигается структурными методами без применения точных элементов и стабильных материалов или, вернее, с минимальным их применением
1. Пути снижения погрешностей измерения
Наиболее важным заданием усовершенствования средств измерения (СИ) является уменьшение всех составляющих его погрешностей, т. е. повышение точности наиболее важного показателя качества измерения. Причины появления погрешностей СИ могут быть сведены в такие группы:
влияние внешних факторов (температура окружающей среды, напряжённость внешнего магнитного и электрического полей, вибрации);
влияние внутренних факторов (изменение сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей элементов схемы, собственные шумы);
влияние неинформационных параметров входного сигнала (частоты во время измерения сигналов переменного тока, уровня сигнала во время измерения фазы или периода).
Для повышения точности каналов автоматических информационно-измерительных систем и систем управления (АИУС) используют различные методы, которые можно разделить на две группы:
1. методы предупреждения появления данной погрешности;
2. методы снижения уровня существующей погрешности.
К первой группе можно отнести конструкторско-технологические, защитно-предупредительные методы. Эти методы наиболее удобны, так как предупреждают появление погрешности или снижают её уровень наиболее простыми путями при минимальном структурном усложнении СИ; их стремятся использовать в первую очередь. Конструкторско-технологические методы предусматривают использование элементов и узлов более высокого качества со стабильными параметрами. Примером может быть использование манганиновых резисторов для уменьшения температурной погрешности, использование плёночных резисторов для уменьшения частотной погрешности, изготовление полупроводниковых элементов на общей подложке. Защитно-предупредительные методы предназначены для уменьшения влияния внешних факторов путём уменьшения их изменения в локализованном пространстве. Это термостабилизация, экранирование, стабилизация, например напряжения питания и и.д. Примерами таких методов могут быть: магнитное или электростатическое экранирование, амортизация для защиты от вибраций и др.
К другой группе относят методы коррекции, статистической минимизации погрешностей. Эти методы основаны на выявлении уже существующих погрешностей аналитическим или экспериментальным путём и их учёте во время обработки конечного результата измерения или снижении в процессе измерения. Примерами такого метода могут быть: уменьшение случайных погрешностей методом временного или пространственного усреднения результатов многоразовых измерений, уменьшение погрешностей квантования путём корректирования погрешностей измерительных преобразователей и каналов. Эти методы наиболее эффективны при выявлении систематических или случайных погрешностей, которые медленно изменяются.
2. Коррекция погрешностей
Коррекция погрешностей производится одним из следующих способов:
-калибровка;
-аддитивная коррекция;
-мультипликативная коррекция;
-автоматическая коррекция способом итераций;
-способ образцовых сигналов.
2.1 Калибровка
Структурная схема калибровки представлена на рисунке 1
Рисунок 1. Структурная схема калибровки средства измерения с образцовыми источниками сигнала
Условные обозначения:
БУ- блок управления;
СС- схема сравнения;
ИГ- измерительный генератор;
СИ- средство измерения;
SA1 и SA?1 - переключатель.
На рисунке 2 представлены графики работы устройств, которые описываются уравнениями
Рисунок 2. Графики работы устройств
Условные обозначения:
1) идеальное устройство без погрешностей;
2) устройство с аддитивной погрешностью;
3) устройство с аддитивной и мультипликативной погрешностью.
ах =у (график 1) (2.10)
у=ах+Д1, х=0, у?0 (график 2) (2.11)
у =(а+Д2)х+Д1 (график 3) (2.12)
где Д1 и Д2 - аддитивная и мультипликативная погрешности СИ.
Пусть СИ имеет и аддитивную и мультипликативную погрешности, тогда его выходной сигнал соответствует выражению 2.12.
При переключении SA1 и SA1? в положение 2 осуществляется калибровка СИ.
На вход СИ с СС подаётся нулевой сигнал, тогда
у =(аном+Д2)0+Д1= Д1=у? (2.13)
т.е. на выходе СС появляется сигнал у?=Д1.
При наличии аддитивной погрешности Д1 блок БУ изменяет параметры СИ, устраняя эту погрешность установлением нулевого выходного сигнала СИ и
у =(аном+Д2)·х (2.14)
Затем на вход СИ подаётся сигнал х0, а на вход СС у0, соответствующий этому входному сигналу в идеальном СИ,
тогда
у0=(аном+Д2)·х0 (2.15)
Далее с помощью БУ или вручную регулируется передаточный коэффициент СИ до величины
а?= аном - Д2 (2.16)
путём установления на выходе сигнала равного у0.
Затем переключатели SA1 и SA1? переводятся в положение 1, и на вход СИ поступает измеряемый сигнал.
В этом случае выходной сигнал в статике
у =(аном-Д2+ Д2)х = аномх (2.17)
Такой сигнал будет равен выходному сигналу идеального СИ с точностью до погрешностей калибровки.
2.2 Аддитивная коррекция
При данном способе коррекции уменьшение погрешностей осуществляется за счёт смещения функции преобразования СИ (рисунок 3).
Рисунок 3. Структурная схема средства измерения с аддитивной коррекцией погрешности
Условные обозначения:
СИ - средство измерения;
ОП - обратный преобразователь;
ВК - вспомогательный канал.
Образцовый обратный преобразователь (ОП) используется для выявления погрешности.
Операция выделения сигнала погрешности Дх происходит в результате одновременного или разновременного вычитания двух сигналов - входного x и обратного хок.
Усиленный вспомогательным каналом ВК разностный сигнал у2 используется для введения поправки СИ.
Пусть СИ имеет аддитивную и мультипликативную погрешности и его выходной сигнал
у1=(аном+Д2)х+Д1 (2.18)
А обратный образцовый преобразователь имеет идеальную передаточную характеристику вида
хок =(1/аном)·у1=1/аном·((аном+Д2)х+Д1)=х +(Д2х/аном)+Д1/аном (2.19)
тогда
Дх = х -хок =-(Д1/аном+Д2·х /аном) (2.20)
у2=(а?ном+Д?2)Дх+Д?1 (2.21)
Пусть блок ВК имеет такие же составляющие погрешности, как и корректируемое СИ, тогда разностный сигнал равен
у=у1-у2=(аном+Д2)х+Д1- (а?ном+Д?2)Дх- Д?1 (2.22)
2.3 Мультипликативная коррекция
В СИ с мультипликативной коррекцией погрешностей осуществляется выделение погрешностей СИ и управление ею коэффициентом преобразования СИ для минимизации этой погрешности. Таким способом можно корректировать аддитивные и мультипликативные погрешности, однако при преобладании аддитивной погрешности коррекция осуществляется лишь в одной точке шкалы СИ.
Рисунок 4. Структурная схема средства измерения с мультипликативной коррекцией погрешности
Пусть характеристика преобразования такого СИ имеет вид
у=(а+кz)х+Д1 (2.23)
где кz - изменение коэффициента преобразования СИ от действия сигнала z;
Д1- аддитивная погрешность.
Запишем:
ун=аном·х (2.24)
Ду=у-ун=(а+кz-аном)х+Д1 (2.25)
хок=(у/ аном)х=(1/аном)(а+кz)х+Д1/аном (2.26)
Дх=х-хок=х-(1/аном)(а+кz)х-Д1/аном (2.27)
z=Кном Дх+Д1?+Д2?Дх (2.28)
где Д1?и Д2? аддитивная и мультипликативная погрешности блока ВК.
Подставим в выражение для z значение Дх и получим выражение определяющее вид выходного сигнала блока ВК
(2.29)
Из соотношения видно, что при Кном>?, Ду =0, т.е. для снижения погрешности СИ необходимо увеличить коэффициент передачи вспомогательного канала ВК.
измерительный погрешность калибровка магнитный
2.4 Автоматическая коррекция способом итераций
Использование этого способа в ряде случаев позволяет свести точность измерения с помощью АЭП к точности использования образцовой меры.
Способ требует наличия избыточности по быстродействию, а для своей реализации и структурной избыточности.
Принципиально возможно построения таких структур СИ с временным и пространственным разделением каналов.
Способ образцовых сигналов
Для практической реализации способа необходимо иметь избыточность по быстродействию и набор образцовых сигналов.
Рисунок 5. Структурная схема средства измерения с коррекцией погрешности по способу образцовых сигналов.
Условные обозначения:
Р - распределитель;
СИ - средство измерений;
ВУ - вычислительное устройство.
Распределитель включает поочерёдно к входу измеряемое значение х и образцовые сигналы х01 и х02.
В случае линейного СИ можно записать для первого, второго и третьего измерения соответственно:
(2.30)
где а1 и а2 - коэффициенты характеристики преобразования СИ.
Объединив измерения в систему уравнений, и решив ее, получим:
х=х02[(у0-у1)/(у2-у1)]-х01[(у2-у0)/(у2-у1)] (2.31)
Видно, что значение х не зависит от изменяющихся параметров характеристики преобразования.
Таким образом, снижается как аддитивная, так и мультипликативная составляющие погрешности. Это даёт хорошие результаты, когда значения х и коэффициентов а1 и а2 не изменяются за время, необходимое для получения одного результата измерения.
2.5 Фильтрация погрешностей
Эффективным способом снижения действия помех, а, следовательно, и погрешностей в АЭП является фильтрация. Наиболее часто применяется линейная фильтрация. Особенно эффективно действие фильтрации, когда спектры полезного сигнала АЭП и помехи не перекрываются.
2.5.1 Выбор оптимальных параметров фильтра
Пусть в СИ действует смесь полезного сигнала и помехи со спектральными плотностями Sc(щ) и Sп(щ). Сигнал и помеха стационарны и некоррелированы.
Полезный сигнал менее широкополосен и его спектральная плотность снижается с ростом частоты. В этом случае существует некоторое оптимальное значение полосы пропускания частоты фильтра щ0 (ФНЧ), минимизирующее значение СКО погрешности от действия помех СИ. В качестве фильтра можно использовать один из преобразователей СИ.
Определим щ0. Для этого найдём СКО погрешности от искажения измерительного сигнала при прохождении его через фильтр (у[Дn]) и погрешности из-за прохождения части помехи через этот фильтр (у[Дс]).
(2.32)
(2.33)
где K(jщ) - частотная характеристика ФНЧ и СИ;
щ0 - оптимальное значение полосы пропускания фильтра.
Суммарную погрешность фильтрации определим из соотношения можно найти значение щ0 минимизирующее суммарную погрешность фильтрации.
у2[ДУ]=у2[Дn]+у2[Дс] (2.34)
Решив уравнение вида:
?у2[ДУ]/?щ0=0 (2.35)
Если частотная характеристика СИ или фильтра нижних частот близка по виду к частотной характеристике идеального фильтра, то решение упрощается.
(2.36)
где К0 - номинальный передаточный коэффициент СИ.
Оптимальная линейная фильтрация
Пусть фильтр имеет линейную фазочастотную характеристику
ц(щ)=-щt0 (2.37)
тогда спектральная плотность помехи, прошедшей через искомый фильтр равна
Sп(щ)в=Sп(щ)|К(jщ)|2 (2.38)
где К(jщ) - комплексная частотная характеристика искомого фильтра.
Измерительный сигнал подвергается линейному преобразованию L, а сигнал погрешности после преобразований имеет вид:
е(t)=L[y(t)-y(t-t0)] (2.39)
Преобразование Фурье этого сигнала
(2.40)
а энергетический спектр погрешности
(2.41)
Найдём минимальное значение Sе(щ) из выражения
?Sе(щ)/ ?K(щ)=0=2K(щ)·Sп(щ)-2[1-K(щ)]·Sc(щ) (2.42)
откуда
Копт(щ)=Sc(щ)/Sc(щ)+Sп(щ) (2.43)
Реальный фильтр имеет характеристику вида:
Копт(jщ)=[Sc(щ)/(Sc(щ)+Sп(щ))]·e-jщt. (2.44)
Подставив (2.42) в (2.40) получим
min (2.45)
Формула 2.44 служит для определения минимального значения погрешности фильтрации.
Уменьшение динамической погрешности
Последовательное включение корректирующих устройств
Рисунок 6. Структурная схема средства измерения с последовательной корректирующей цепью
КУ(S)=К1(S)K2(S) (2.46)
где К1(S), K2(S) - передаточные характеристики корректируемого СИ и корректирующего преобразователя;
КУ(S) - результирующая передаточная характеристика.
если
K2(S)=Кном(S)/K1(S) (2.47)
то
КУ(S)=Кном (2.48)
и средство измерения не будет иметь динамической погрешности.
При этом необходимо чтобы скорректированное СИ было бы физически осуществимо и устойчиво.
Корректирование с помощью цепи обратной связи
Рисунок 7. Структурная схема средства измерения с коррекцией цепью отрицательной обратной связи
Выходной сигнал равен
у (S)=х(S)K1(S)/1+K1(S)K2(S) (2.49)
Для рабочего диапазона частот (щ1чщ2)
у(S)=х (S)/K2(S) (2.50)
если
щ1?щ?щ2
K2(S)=1/Kном=const
то
у(t)=Kном·х (t) (2.51)
где Кном - статический номинальный коэффициент преобразования СИ.
Корректирование с помощью аналоговых и цифровых вычислительных устройств
Если в СИ нет средств вычислительной техники, то корректирование нельзя осуществить программным способом без дополнительных аппаратных затрат и целесообразно строить корректирующие цепи на базе операционных усилителей. Для цифровых вычислительных устройств вначале производят аналогово-цифровое преобразование выходного сигнала АЭП, а затем уже программную корректировку.
2.6 Пределы корректирования
В АЭП присутствуют помехи, действие которых возрастает с расширением полосы пропускания АЭП. Поэтому при улучшении динамических свойств АЭП происходит увеличение погрешности прибора. Выбрать дополнительный параметр коррекции необходимо путём отыскания минимума общей динамической погрешности СИ.
(2.52)
где и - дисперсия динамической погрешности и погрешности от действия помех.
Конструктивные способы улучшения точности работы АЭП
К конструктивным способам относятся: заземление, экранирование, изоляция, разнесение и ориентация, а также выбор полного входного импеданса.
Структурные схемы заземления представлены на рисунке 8.
Рисунок 8. Схемы заземления
Условные обозначения:
а - заземление в одной точке (последовательное);
б - заземление в одной точке (параллельное);
в - заземление в нескольких точках.
Для снижения шумов на низких частотах применяют систему заземления в одной точке, а на высоких в нескольких точках.
Принцип действия электромагнитных усилителей, их характеристики.
3. Магнитный усилитель
Магнитный усилитель -- это такой статический электрический аппарат, который предназначен для управления значением величины переменного тока с помощью постоянного. Принцип действия такого прибора основан на нелинейных характеристиках намагниченного магнитопровода. Магнитный усилитель часто применяют в сфере автоматического регулирования электрических двигателей ( как синхронных, так и асинхронных), которые работают на переменном токе. Устройство такого приспособления довольно простое. Магнитный усилитель состоит из рабочей обмотки, которая находится на его крайних стержнях. Она сделана из двух последовательно соединенных катушек. Обмотка управления с большим количеством витков размещается на среднем стержне. Если на нее ток не подаётся, а проходит по рабочей обмотке, которая последовательно соединена с нагрузкой, то магнитопровод не будет насыщаться подведенным переменным напряжением из-за небольшого количества витков. В этом случае все напряжение будет падать на сопротивление рабочей обмотки (оно в этом случае будет реактивным).
На нагрузке в этом случае будет выделяться малая мощность. Из за большого количества витков на ней достаточно даже небольшого значения тока. В результате такого процесса реактивная составляющая сопротивления рабочей обмотки будет резко уменьшаться, а значение тока в цепи регулирования будет стремительно возрастать. Таким образом, с помощью довольно малых сигналов на обмотке управления можно управлять большими мощностями. В самом простом случае такой прибор, как магнитный усилитель, представляет собой индуктивность, которая управляется постоянным током. Для соответствующего управления индуктивность должна быть подключена последовательно к нагрузке в цепи переменного тока. При больших значениях индуктивности значение тока в последовательной цепи и нагрузке небольшое. При малой индуктивности в последовательной цепи ток будет большой. На нагрузке, соответственно, его значение также будет возрастать пропорционально к уменьшению индуктивности. Существуют многочисленные разработки, в которых такой прибор, как магнитный усилитель, используют как, например, бесконтактное реле (для осуществления бесконтактного переключения тока), для двоения значения частоты, для стабилизации напряжения в цепи, для модуляции высокочастотных сигналов низкочастотными сигналами, в качестве такого устройства, как усилитель тока, для регулирования напряжением питания и прочее.
Хотя в последнее время магнитные усилители были в некоторых сферах своего применения потеснены полупроводниковыми аппаратами, в таких областях, как управление электроприводами в строительной технике, регулировании освещением концертных залов и кинотеатров, в управлении тепловозами магнитный усилитель не имеет конкурентов и по сей день.
3.1 Принцип действия магнитного усилителя
Для изучения принципа действия магнитного усилителя рассмотрим его простейшую схему (рис.9, а, б), состоящую из двух обмоток. Одна обмотка -- рабочая (или обмотка переменного тока)
Рисунок 9. Простейший магнитный усилитель (дросель насыщения).
с числом витков, другая -- обмотка управления (или управляющая) с числом витков . Обе обмотки размещены на общем ферромагнитном замкнутом сердечнике. На обмотку управления подается входной сигнал в виде напряжения постоянного тока или тока , подлежащего усилению. Последовательно с рабочей обмоткой включена нагрузка , напряжение на которой является выходным сигналом усилителя. Цепь рабочей обмотки получает питание от источника напряжения переменного тока (например, промышленной частоты 50 Гц). Сердечник одновременно намагничивается двумя полями: постоянным, созданным током , протекающим в обмотке , и переменным, созданным током , протекающим в обмотке . Если принять сопротивление рабочей обмотки чисто индуктивным , а форму тока -- близкой к синусоидальной, то ток в нагрузке
Так как
то
(22.4)
где--угловая частота питающего напряжения ; --индуктивность рабочей обмотки.
Напряженность магнитного поля в сердечнике создается именно током . Так как мы приняли допущение о синусоидальности тока, то и напряженность будет изменяться по синусоидальному закону. Амплитудное значение напряженности
(22.5)
где --средняя длина пути магнитного потока в сердечнике. Выразим из уравнения (22.4) индуктивность рабочей обмотки:
Подставим сюда значение из уравнения (22.2) и значение из уравнения (22.5):
где--динамическая (или действующая) магнитная проницаемость материала сердечника для переменной составляющей магнитного поля:(22.7)
Так как с увеличением постоянной составляющей индукции В0 амплитуда индукции остается неизменной, а растет (см.рис. 22.3), то, согласно формулам (22.6) и (22.7), проницаемость сердечника и индуктивность рабочей обмотки уменьшаются подмагничивании сердечника постоянным магнитным полем. Характер зависимостииот напряженности постоянного поля при показан на рис. 10. определяется током в обмотке управления:
(22.8)
Рисунок 10. Зависимость магнитной проницаемости и индуктивности от напряженности постоянного магнитного поля.
Рисунок 11. Электрическая схема дроссельного усилителя.
Из формул (22.4) и (22.6) следует, что при неизменном напряжении сетиток в цепи нагрузки может быть увеличен только за счет уменьшения магнитной проницаемости для переменной составляющей магнитного поля, так как остальные параметры (;;;;) не изменяются. Уменьшение магнитной проницаемости достигается за счет увеличения постоянного подмагничивающего поля в сердечнике, создаваемого управляющим током в соответствии с уравнением (22.8).
При изменении тока нагрузки будет изменяться и падение напряжения на нагрузке , т. е. выходной сигнал.Мощность, выделяемая в нагрузке, может во много раз превышать мощность, расходуемую в управляющей обмотке, т. е. схема обладает усилительными свойствами и ее можно рассматривать как простейший магнитный усилитель. Такой усилитель называют еще дроссельным, поскольку изменение тока в нагрузке обеспечивается за счет изменения индуктивности рабочей обмотки, т. е. сопротивления дросселя -- катушки с сердечником (рис. 11).
Рассмотренная схема по рис.9 имеет серьезные недостатки и крайне редко применяется на практике. Дело в том, что замыкающийся по сердечнику переменный магнитный поток наводит в обмотке управления (как во вторичной обмотке трансформатора) переменную ЭДС. Поэтому выходной сигнал может влиять на входной. А усилители должны обладать однонаправленностью действия: только от входа к выходу. Для уменьшения значения переменного тока, протекающего по цепи управления под влиянием наведенной ЭДС, последовательно с управляющей обмоткой включают большую индуктивность . Однако при этом увеличивается инерционность усилителя: при быстрых изменениях входного напряжения ток управления изменяется медленно. Кроме того, увеличивается расход материала (так как необходим сердечник и для дросселя), возрастают габариты и вес усилителя.
Для уничтожения ЭДС, наводимой в обмотке управления, ис-
Рисунок 12. Магнитный усилитель на двух сердечниках.
пользуются схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердечниками (рис. 12, а, б). Рабочая обмотка и обмотка управления имеют по две секции -- по одной на каждом сердечнике. Секции управляющей обмотки соединяются последовательно и встречно; следовательно, происходит взаимное вычитание ЭДС, индуцируемых в каждой секции. Поскольку сердечники и соответствующие обмотки на них одинаковы, происходит взаимное уничтожение (компенсация)ЭДС, наведенных переменным магнитным полем. Секции рабочей обмотки включены последовательно и согласно. В один полупериод питающего переменного напряжения переменный магнитный поток складывается с постоянным магнитным потоком в одном сердечнике и вычитается в другом сердечнике. В следующем полупериоде сердечники меняются ролями. Таким образом, совместное действие на цепь нагрузки обеих секций рабочих обмоток в каждый из полупериодов совершенно одинаково. Обе полуволны нагрузки будут симметричны (без четных гармоник), т. е. форма кривой тока будет менее искажена.
3.2 Основные характеристики магнитных усилителей
Основной характеристикой магнитного усилителя является зависимость действующего или среднего значения тока в нагрузке от тока управления: . Графическое изображение такой зависимости называется статической характеристикой вход-выход.
Для всех рассмотренных выше схем магнитных усилителей зависимость магнитной проницаемости и индуктивности рабочей' обмотки от тока управления показана на рис. 13 При отсутствии управляющего сигнала () эти величины имеют максимальное значение. Если подадим в обмотку управления постоянный ток , то в сердечнике создается постоянный магнитный поток, накладывающийся на переменный поток, созданный рабочей обмоткой. По мере увеличения входного сигнала из-за нелинейности характеристики намагничивания происходит насыщение сердечника.
Рисунок 13. Зависимость магнитной проницаемости и индуктивности тока управления.
Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости , а следовательно, и индуктивности рабочей обмотки . Направление (полярность) тока управления не влияет на и . Вид статической характеристики вход-выход зависит от того, как включена нагрузка: последовательно или параллельно рабочей обмотке.
На рис. 14, а показана статическая характеристика для схем магнитных усилителей. Здесь -- ток холостого хода усилителя (подмагничивающее поле отсутствует),-- максимальный ток. В идеальном усилителе при отсутствии входного сигнала () должен быть равен нулю и выходной сигнал (). Однако из-за того, что при магнитная проницаемость и индуктивность рабочей обмотки не равны бесконечности, через нагрузку протекает небольшой ток холостого хода . По мере увеличения входного сигнала (тока управления) растет выходной сигнал (ток нагрузки), но из-за насыщения сердечника этот рост ограничен некоторым максимальным током = . Отношение максимального тока к току холостого хода называется коэффициентом кратности тока --это один из параметров усилителя. Чем больше этот коэффициент, тем лучше усилитель.
Наряду с коэффициентом кратности тока магнитный усилитель характеризуется следующими параметрами: коэффициентом усиления, чувствительностью, максимальной мощностью в нагрузке, КПД рабочей цепи, постоянной времени, добротностью.
Рисунок 14 - Статические характеристики магнитных усилителей.
Рассмотрим коротко эти параметры. Коэффициент усиления -- это отношение приращения тока, напряжения или мощности в нагрузке к приращению соответствующего параметра в цепи управления.
Коэффициент усиления по току
(22.10)
Коэффициент усиления по мощности
(22.11)
Поскольку статическая характеристика магнитного усилителя нелинейная, коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности не являются постоянными величинами. Поэтому различают максимальные значения, , и их значения, соответствующие заданной выходной мощности усилителя.
При большом значении коэффициента кратности тока , когда ток холостого хода по сравнению с максимальным током нагрузки мал, можно с достаточной точностью считать, что
Например, уже при ошибка от пренебрежения током холостого хода не превышает
Чувствительность -- минимальная мощность входного сигнала, начинал с которого пропорционально изменяется ток нагрузки.
Максимальная мощность в нагрузке
Коэффициент полезного действия рабочей цепи
где--полное активное сопротивление рабочей цепи.
Постоянная времени характеризует быстродействие усилителя и определяется отношением индуктивности и активного сопротивления обмотки управления
Добротность является универсальным параметром, учитывающим и коэффициент усиления и быстродействие:
Магнитные усилители по сравнению с другими типами усилителей обладают таким существенным преимуществом, как высокая стабильность во времени параметров и статической характеристики. Имея практически неограниченный срок службы, магнитные усилители не требуют регламентных работ и могут использоваться во взрыво- или пожароопасных условиях, а также при наличии радиоактивного излучения.
Максимальная мощность магнитных усилителей достигает сотен киловатт. Например, на Московском трансформаторном заводе еще в 1933 г. были изготовлены магнитные усилители мощностью 800 кВт для автоматического регулирования частоты вращения мощного асинхронного двигателя. Коэффициент усиления по мощности 100-ваттного магнитного усилителя при частоте питания 50 Гц обычно составляет 50--200. Для более мощных усилителей этот коэффициент увеличивается.
КПД простейших нереверсивных магнитных усилителей обычно лежит в пределах от 0,6 до 0,98. Коэффициент кратности магнитных усилителей в значительной степени зависит от материала сердечника. Для магнитных усилителей с сердечниками из трансформаторной стали , а с сердечниками из сплавов высокой магнитной проницаемости
Минимальное значение усиливаемой мощности составляет Вт для сердечников из трансформаторной стали и Вт для сердечников из сплавов высокой проницаемости. Статическая характеристика вход-выход магнитных усилителей с параллельным включением нагрузки (по рис. 22.11) имеет вид, показанный на рис. 22.15, б. Она обратна характеристике усилителя с последовательной нагрузкой. Действительно, при управляющем сигналеиндуктивностьрабочей обмотки будет максимальной и, следовательно, ток в нагрузке будет иметь наибольшее значение. С ростом входного сигнала ток в нагрузке уменьшается, так как все большая часть тока питания ответвляется в рабочую обмотку, индуктивное сопротивление которой уменьшается.
Заключение
Широкое внедрение автоматизации - наиболее эффективный путь повышения производительности труда.
На многих объектах для организации правильного технологического процесса необходимо длительно поддерживать заданные значения различных физических параметров или изменять их во времени по определенному закону. Вследствие различных внешних воздействий на объект эти параметры отклоняются от заданных. Оператор или машинист должен так воздействовать на объект, чтобы значения регулируемых параметров не выходили за допустимые пределы, т. е. управлять объектом. Отдельные функции оператора могут выполнять различные автоматические приборы. Воздействие их на объект осуществляется по команде человека, который следит за состоянием параметров. Такое управление называют автоматическим. Чтобы полностью исключить человека из процесса управления, система должна быть замкнутой: приборы должны следить за отклонением регулируемого параметра и соответственно давать команду на управление объектом.
Список литературы
1. http://gyrator.ru/magnitnyi-usilitel-lp
2. http://allsummary.ru/192-preobrazovateli-amplitudnyh-znacheniy.html
3. http://fb.ru/article/60968/magnitnyiy-usilitel---printsip-deystviya-i-sferyi-primeneniya
4. https://ru.wikipedia.org
5. http://vunivere.ru/work24448
6. Основы автоматизации технологических процессов. О.М. Сосин
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Метрологические 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 02.11.2010Сущность и назначение измерительных приборов, их виды. Классификация и принцип действия механических тахометров. Характеристика центробежных измерительных приборов. Магнитоиндукционные и электрические тахометры, счетчики оборотов, их сервисные функции.
реферат [394,8 K], добавлен 04.05.2017Анализ характеристик и типов конструкций измерительных рычагов. Пример условного обозначения углового двухпазового рычага с заданными полями допусков. Конструкция угловых рычагов с двумя отверстиями. Контроль действия рычажной системы, ее точность.
контрольная работа [953,1 K], добавлен 23.01.2015Физические основы преобразователей и метрологические термины. Характеристика измерительных преобразователей электрических величин, их классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения.
контрольная работа [776,1 K], добавлен 23.11.2010Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар и принцип их работы, особенности и области применения, источники их погрешности. Сущность термоэлектрического эффекта. Внешний вид контактного термометра. Рекомендации по работе с термопарами.
контрольная работа [393,8 K], добавлен 15.06.2012Технология проведения монтажных работ, настройка и калибровка датчика давления Метран-150-CD. Принцип действия и способы устранения неисправностей датчика. Ремонт и обработка прибора, корректировка его с помощью настроечного механизма водосчетчика.
отчет по практике [190,4 K], добавлен 18.04.2015Применение измерительной техники. Точность и диапазоны измерения. Номенклатура измеряемых величин. Производительность измерительных операций. Определение и тестирование параметров охлаждающей способности закалочных сред. Мониторинг зданий и сооружений.
реферат [31,3 K], добавлен 19.02.2011Принципы функционирования и схемы систем автоматического управления по отклонению и возмущению, их достоинства и недостатки. Построение статистической характеристики газового регулятора давления, влияние его конструктивных параметров на точность работы.
контрольная работа [526,3 K], добавлен 16.04.2012Установка в вентиляционную систему вихревой трубы с целью улучшения качества кондиционирования машинного отделения на судне. Основные технические характеристики судна. Принцип действия систем вентиляции. Расчет себестоимости изготовления воздуховодов.
курсовая работа [849,1 K], добавлен 16.10.2013Определение назначение и общее описание устройства координатно-измерительных машин как устройств, для измерения физических и геометрических характеристик объекта. Принцип работы мобильных координатно-измерительных машин, техника лазерного сканирования.
презентация [850,4 K], добавлен 10.04.2019
