Элементы и устройства автоматики

10 лекция. Измерительные преобразователи

Содержание лекции: принцип действия и конструкция измерительных преобразователей.

Цель лекции: изучить принцип действия и конструкцию измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи -- элементы систем автоматики, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не всегда поддающейся восприятию наблюдателем.

Измерительный преобразователь с высокой точностью реализует однозначную функциональную зависимость между двумя физическими величинами y = f (x), где x = f (t) и y = f (t) -- сигналы на входе и выходе измерительного преобразователя.

Измерительные преобразователи подразделяют на первичные, нормирующие преобразователи, и вторичные приборы.

Первичные измерительные преобразователи часто называют также датчиками либо чувствительными элементами.

В зависимости от рода измеряемой величины на входе преобразователя различают преобразователи электрических и неэлектрических величин. К первым относятся усилители напряжения, делители напряжения, электроизмерительные шунты и т.д. К преобразователям неэлектрических величин -- терморезисторы, тензопреобразователи, тахогенераторы и др.

К первичным преобразователям также относят отборные и приемные устройства. Под отборными и приемными устройствами понимают устройства, встраиваемые в технологические аппараты, и трубопроводы для отбора контролируемой среды и измерения ее параметров.

Основное назначение нормирующего преобразователя -- преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя с естественным выходом сигнала в унифицированный электрический или пневматический сигналы для связи с устройствами регулирования, индикации, регистрации и с системами централизованного сбора данных. Примером нормирующего преобразователя может служить преобразователь сигнала постоянного тока в цифровой сигнал интерфейса RS-485.

Вторичным преобразователем (измерительным прибором) называют средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы могут быть показывающими, регистрирующими, интегрирующими и т.д. Кроме того, в них могут быть встроены регулирующие, преобразующие и сигнализирующие устройства.

К основным характеристикам первичных измерительных преобразователей относятся: входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; выходная величина, используемая для передачи информации; статическая характеристика датчика; динамическая характеристика датчика; порог чувствительности; основная и дополнительные погрешности.

Входные величины датчиков подразделяют на два класса:

а) величины, характеризующие протекание процессов (ток, напряжение, расход, давление и др.);

б) величины, характеризующие свойства и состав веществ (концентрация, pH-уровень, влажность и др.).

Выходная величина, используемая для передачи информации, обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и др.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).

Статическая характеристика -- зависимость выходной величины от входной в статическом режиме (равновесном состоянии), когда каждому значению входной величины соответствует определенное значение выходной.

Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации характеристик датчиков, которые могут быть представлены аналитическими (гладкими) нелинейностями, используются усилители-линеаризаторы. Наряду с линейными, широкое распространение нашли датчики с различными видами нелинейных характеристик (релейных, с зоной нечувствительности, с ограничением по амплитуде и др.).

Динамическая характеристика описывает во времени поведение датчика при изменениях входной величины в переходных режимах и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков могут быть определены передаточными функциями, переходными, импульсно-переходными (весовыми), амплитудно-частотными, амплитудно-фазовыми и др.

Порог чувствительности датчика - это минимальное изменение входной величины, вызывающее заметно различимое изменение выходного сигнала.

Основная погрешность датчика -- максимальная разность между получаемой в нормальных эксплуатационных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах.

Для наиболее распространенных типов датчиков статические характеристики стандартизируются с указанием допустимых отклонений статических характеристик от номинальных значений. Так, номинальные статические характеристики (НСХ) для стандартных типов термоэлектрических преобразователей - термопар - установлены ГОСТ 3044-84, согласованным со стандартом Международной электротехнической комиссии МЭК 584-1.1977 [9].

Дополнительные погрешности датчика - погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными эксплуатационными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, 1,5 % на 10 ⁰С).

11 лекция. Исполнительные механизмы и устройства систем автоматики

Содержание лекции: принцип действия и конструкция исполнительных механизмов и устройств систем автоматики.

Цель лекции: изучить исполнительных механизмов и устройств систем автоматики.

Исполнительные механизмы и устройства (ИМ, ИУ) промышленных систем автоматики входят в четвертую функциональную группу изделий ГСП в соответствии с ГОСТ 12997-84 -- группу устройств использования командной информации в целях воздействия на процесс и для связи с оператором (сюда же входят рас-сматриваемые в следующей лекции устройства сбора, регистрации, передачи и отображения информации). Термины «исполнительное устройство» и «исполнительный механизм» иногда употребляются как синонимы. В дальнейшем будем преимущественно использовать термин «исполнительное устройство», понимая под этим силовое устройство, назначение которого состоит в изменении регулирую-щего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом (командной информацией), подаваемым на его вход от командного устройства (регулятора, ручного дистанционного задатчика, УВМ).

К основным блокам ИУ относятся исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО), которые кон-структивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков. В некоторых случаях ИУ может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма. Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок ИУ, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования. Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие на объект регулирования. Классификация исполнительных механизмов приведена на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1 - Классификация исполнительных механизмов

Одной из основных характеристик ИУ является величина перестановочного усилия (момента), передаваемого выходным органом исполнительного механизма на регулирующий орган. Эта величина обычно указывается в паспорте и является основной при энергетическом расчете и выборе ИУ.

По виду энергии, создающей перестановочное усилие, ИМ подразделяются на пневматические, гидравлические и электрические. Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Наиболее распространенными из них являются электрогидравлические ИМ. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, соз-дающей перестановочное усилие.

В пневматических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон. В соответствии с этим пневматические подразделяются на мембранные, поршневые и сильфонные. Давление сжатого воздуха в пневматических ИУ обычно не превышает 103 кПа.

В гидравлических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть. В соответствии с этим различают мембранные, поршневые и лопастные гидравлические ИМ. Давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5-20) 10³ кПа. Отдельный подкласс гидравлических ИУ составляют ИУ с гидромуфтами. Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ перестановочное усилие в одном направлении создается давлением в рабочей поло-сти ИМ, а в обратном направлении -- силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ перестановочное усилие в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электродвигательные и электромагнитные; по характеру движения выходного элемента -- на прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более 360° (многооборотные).

Как было отмечено ранее, вторым основным блоком исполнительного устройства является регулирующий орган (РО). Различные РО по виду воздействия на объект подразделяются на два основных типа: дросселирующие и дозирующие. Ниже приводится классификация исполнительных органов (см. таблица 11.1).

Дросселирующие регулирующие органы изменяют гидравлическое сопротивление в системе, воздействующее на расход вещества путем изменения своего проходного сечения. В дозирующих регули-рующих органах осуществляется заданное дозирование поступающего вещества или энергии или изменение расхода вещества путем изменения производительности агрегатов. В настоящее время широкое распространение в АСУ ТП получили дросселирующие РО, хотя применение дозирующих РО экономически более оправдано.

К вспомогательным блокам исполнительных устройств относят блоки, расширяющие  область применения ИУ и обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций. К вспомогательным блокам относятся блок ручного управления для механического (ручного) управления регулирующим органом, блок сигнализации конечных положений для выдачи информации о положении выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, фиксаторы положения для фикса-ции положения выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, блок дистанционного управления, блок обратной связи для улучшения статических и динамических характеристик ИУ или всей замкнутой системы регулирования.

Таблица 11.1 -- Классификация исполнительных органов

12 лекция. Электрические машины постоянного тока

Содержание лекции: принцип действия и конструкция электрических машин постоянного тока.

Цель лекции: изучить принцип действия и конструкцию электрических машин постоянного тока.

Двигатели постоянного тока в зависимости от способа возбуждения в них подразделяются на три типа:

а) двигатели с независимым возбуждением (параллельным возбуждением);

б) двигатели с последовательным возбуждением;

в) двигатели со смешанным возбуждением.

Машина постоянного тока (см. рисунок 12.1) состоит из статора, который обычно является индуктором, и ротора (якоря).

Рисунок 12.1 -- Электрическая машина постоянного тока

Статор содержит:

- стальной корпус;

- полюсные наконечники вместе с полюсными сердечниками;

- обмотку возбуждения;

- траверсу со щеткодержателями для крепления щеток;

- подшипниковые щиты с подшипниками.

Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения на электрических схемах приведено на рисунке 12.2, 12.3

При вращении якоря его обмотка пересекает Ф_ост и в ней индуцируется небольшая по величине остаточная ЭДС Е_ост. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток возбуждения, который создаст небольшой магнитный поток. Если обмотка возбуждения включена правильно, то этот магнитный поток совпадет с остаточным магнитным потоком.

Рисунок 12.2 -- Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

В результате общий магнитный поток возрастает, увеличится и ЭДС, наводимая этим потоком в обмотке якоря. Поскольку возросла ЭДС якоря, возрастает и ток возбуждения, что в свою очередь ведет к новому увеличению магнитного потока и ЭДС якоря. Процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря не станет равной падению напряжения в цепи возбуждения [11, 12].

Рисунок 12.3 -- Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

Запишем уравнение согласно второму закону Кирхгофа для контура, включающего в себя цепь якоря и цепь возбуждения:

Е_я=I_в R_ов+I_вR_я+I_вR_в=I_вR_цв.

Здесь:

R_ов-- сопротивление обмотки возбуждения;

R_я -- сопротивление обмотки якоря;

R_в -- сопротивление реостата;

R_цв= R_ов + R_я+ I_я R_я -- сопротивление цепи возбуждения.

Если Е_я> I_вR_цв, то процесс самовозбуждения проходит.

Если Е_я= I_вR_цв, то процесс самовозбуждения останавливается.

Если Е_я< I_вR_цв, то процесса самовозбуждения нет и машина не возбуждается.

Таким образом, для обеспечения процесса самовозбуждения генератора постоянного тока необходимо три условия:

а) наличие остаточного магнитного потока в магнитной системе машины;

б) правильное включение обмотки возбуждения;

в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

Аналогично процесс возбуждения происходит у генераторов с последовательным возбуждением, но для этого к ним необходимо подключить нагрузку.

Список литературы

1. Васюра А.С. Элементы и устройства систем управления и автоматики. - Винница.: ВДТУ, 1999. - 157 с.

2. Васюра А.С. Электромагнитные элементы аналоговых устройств. - В.: ВДТУ, 2000. - 146 с.

3. Васюра А.С. Электромагнитные элементы цифровой техники. - В.: ВДТУ, 2000. - 161 с.

4. Васюра А.С. Электромагнитные механизмы и исполнительные устройства автоматики. - В.: ВДТУ,2001, - 132 с.

5. Васюра А.С., Кривогубченко С.Г. и др. Элементы локальных систем автоматики. - В.: ВДТУ,1998. - 103 с.

6. Подлипенский В.С. и др. Элементы и устройства автоматики. - С.-П., Политехника, 1995. - 431 с.

7. Корнийчук А.И., Подчашинский Ю.О. Компьютеризованное проектирование элементов СУ. - Житомир,2001. - 455 с.

8. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства. - М.: Энергоатомиздат., 1981. - 243 с.

9. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. - М.: В.шк. 1991. - 304 с.

10. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем. - М.: В. шк., 1989. - 440 с.

11. Сабинин Н.И. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 311 с.

12. Кацман М.М. Электрические машины и электропривод автоматизации устройств. - М.: В. шк., 1987. - 335 с.

Сводный план 2013 г., поз. 255

Размещено на Allbest.ru