- •Общие вопросы электрических измерений
- •2.3. Случайные погрешности
- •U — UbbtxdK.
- •3.7. Электромагнитные приборы
- •3.12. Приборы для регистрации величин, изменяющихся йо времени
- •4.8. Автоматический мост
- •Цифровые измерительные приборы
- •5.1. Общие сведения о цифровых приборах
- •6.3. Измерение температуры
- •6.6. Измерение сосредоточенных усилий
- •Автоматические системы контроля
- •7.1. Назначение и особенности систем контроля
- •7.3. Структурные схемы АСК
- •7.4. Функциональные устройства и блоки АСК
- •7.5. Примеры автоматических систем контроля
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
чения контролируемой величины. При проектировании АСК выбор ин тервала между операциями контроля осуществляется в зависимости от па раметров объекта контроля и характера его функционирования.
7.3. Структурные схемы АСК
АСК получает, перерабатывает и передает информацию о параметрах про цесса в виде электрических сигналов. Поскольку в большей части пара метры процессов являются неэлектрическими, необходимо иметь элементы для их восприятия. Это решается с помощью измерительных преобразо вателей для измерения неэлектрических величин.
Измерительные преобразователи разных физических величин имеют выходные сигналы,'различные по виду и уровню. Поэтому необходима их унификация для упрощения дальней обработки информаций и структу ры технических средств, предназначенных для этой цели. Это решается с помощью унифицирующих элементов, приводящих сигналы преобразо вателей к стандартным значениям (ГОСТ 9895—78, ГОСТ 10938—75.и ГОСТ 10853— 64).
Унифицирующие элементы могут быть индивидуальными, связанными с одним датчиком,- или групповыми, обслуживающими ряд датчиков. Иногда унифицирующие элементы совмещаются сдатчиками.
Основные функции унифицирующих элементов сводятся к линейным и нелинейным преобразователям сигнала. К первым относятся масштаби рование, установление нуля и температурнаяжомпенсация. Ко вторым — линеаризация и выпрямление сигнала.
Унифицированный сигнал, несущий информацию о параметре контро лируемого процесса, нужно сравнивать со значением, соответствующим установке. В зависимости от назначения АСК сравнение выполняется в аналоговом или цифровом виде. При аналоговом — сигнал подается на устройство сравнения УС, на которое также поступает сигнал из блока формирования установки БФУ в виде определенного значения напряже ния или тока (рис. 132). В результате сравнения устанавливается, нахо дится ли контролируемый параметр в пределах или вне нормы. В послед нем случае УС выдает сигнал на блок формирования суждений, который воздействует на световое или звуковое сигнальное устройство С или выдает сигнал на другие автоматические или регистрирующие устройства, связанные с АСК1- '
Если сравнение производится в цифровом виде, то сигнал с выхода УЭ подается на аналого-цифровой преобразователь АЦП, на выходе которого получается цифровой код измеряемой величины. БФУ также вещает уставку в цифровой форме, а УС сравнивает цифровые коды ре зультата измерения и уртавки (рис. 133). Такое построение канала необ ходимо в тех случаях, когда результаты измерения и контроля использу ются в ЭВМ или других цифровых системах.
Когда число точек контроля велико (несколько сотен), создание АСК увеличением числа каналов со всеми входящими в него элементами привело бы к увеличению количества аппаратуры, что во многих случаях совершенно недопустимо. Рационально это решается в многоточечных АСК.
Рис. 133 Рис. 134
Большая группа объектов контроля характеризуется тем, что контро лируемые параметры являются непрерывными функциями времени и изменяются с конечной скоростью. Поскольку относительное максимально допустимое изменение контролируемой величины Axtlxi в каждой точке происходит за время Т, а для контроля с заданной достоверностью необ ходимо время At, Бремя Т — At может быть использовано для контроля параметров других точек. На этом принципе основано построение АСК последовательно-параллельного действия.
В такой системе применяется' обегающий контроль, позволяющий многократно использовать некоторые функциональные блоки системы, например АЦП, БФУ, УС, БФС, цифропечатающее устройство (ЦПУ) и другие. Система обегающего контроля предусматривает интервал Т —
— А? между обращениями к одному датчику. Для этого в устройство вво дится входной и выходной коммутаторы, работающие синхронно по ко мандам блрка управления (БУ) АСК-
Важным параметром АСК является быстродействие, которое возмож но увеличить двумя способами: 1) сравнивать поступающий сигнал с за данным значением в аналоговой форме, поскольку для этого необходимо значительно меньше времени, чем для цикла работы АЦП;
2)выводить на печать не все значения контролируемых параметров,
атолько их отклонения от нормы.
Этим |
условиям отвечает структурная схема АСК, |
представленная |
|
на рис. |
134. Сигналы от датчиков Д1, Д2, ..., Дп с |
помощью унифици |
|
рующих элементов УЭ1, УЭ2, ..., УЭп преобразуются |
к |
уровню входно |
|
го параметра АСК. |
|
|
Поскольку АСК может контролировать различные параметры, датчи кам должны соответствовать. УЭ, выходные сигналы которых поступают на входной переключатель # вх. Последний со скоростью, задаваемой блоком управления БУ, поочередно подает входные сигналы для после дующей обработки. Входной сигнал с # вх поступает на общий унифици рующий элемент, которым может быть фильтр, снимающий возможные помехи и наводки.
Вэтой схеме сравнение сигнала! датчика и задание выполняется УС
ваналоговой форме. Одновременно аналоговый сигнал с помощью АЦП
преобразуется в цифровой код, который поступает на ЦПУ, ВУ, ЦОУ и устройство цифровой индикации.
При обнаружении отклонения контролируемого параметра от нормы УС подает сигнал на БУ и выходной переключатель Я вых, работающий синхронно с Явых. Последнее включает сигнальное устройство С, номер которого соответствует номеру контролируемой точки и работающее толь ко тогда, когда параметр выходит за пределы нормы.
Блок управления БУ по сигналу УС запускает ЦПУ, печатающее значение параметра, вышедшего за пределы нормы. Так же подается ко манда на вычислительное устройство, которое может занести в свою опе ративную память код сигнала или произвести с ним необходимые матема тические операции, обусловленные программой вычислений. Значение па раметра можно представить в цифровой форме на ЦОУ, включающем по команде БУ.
АСК может работать с переменной скоростью обегания, которая умень шается при включении АЦП для преобразования аналогового сигнала,, вышедшего за пределы нормы.
Рассмотренная система может иметь аналоговый или цифровой выход на автоматическую систему управления технологическим процессом.
7.4. Функциональные устройства и блоки АСК
Функциональные устройства и блоки АСК компонуются из элементов,, которые можно разделить на следующие группы:
1) для обработки и коммутации аналоговых сигналов, к которым от носятся унифицирующие элементы (УЭ), функциональные преобразовате ли, устройства задания уставок, устройства сравнения, ключи, переклю чающие цепи аналоговых сигналов. Составной частью этих элементов яв ляются усилители, образцовые резисторы, делители напряжения и .реле;
2) электромеханические и электронные для построения преобразова телей аналог-код;
3) для выполнения логических и арифметических операций над цифро выми сигналами;
4) выходные, к ним относятся световые индикаторы, цифровые отсчетные устройства, цифропечатающие устройства, графопостроители и звуковые сигнализаторы.
Рассмотрим некоторые из них. В настоящее время наиболее распрост ранены унифицирующие элементы амплитудио-модулированных сигна лов от датчиков, иногда объединяющиеся с ними. Как было сказано, ос новные функции УЭ сводятся к линейным (установка нуля, масштабиро вание, температурная компенсация) и нелинейными (линеаризация) пре образованиям сигналов, а также к уменьшению помех и наводок от цепей с датчиками.
УЭ могут быть индивидуальными и групповыми. Применение индиви дуальных УЭ во многих случаях предпочтительнее, поскольку они позво ляют коммутировать сигналы более высокого уровня и тем самым умень шать погрешность от коммутации цепей. Рассмотрим некоторые линей ные преобразования, выполняемые УЭ.
Предположим, что вход АСК допускает унифицированный сигнал с ди намическим диапазоном [U, х„], а сигнал от преобразователя изменяется
В Пределах Xmin...*max,. при ЭТОМ Х н > Хтах — ^minВОЗМОЖНО ДВЭ
варианта преобразования. В первом — сначала производится совмещение динамических диапазонов АСК и датчика. Для этого к сигналу датчика добавляется постоянная величина xmin. Затем полученный суммарный сигнал усиливается в k раз, где
у _X « *
шах Лгп1П
Во втором варианте сигнал от датчика сначала усиливается в k раз, при этом (Хщах — Хпип) k = хн. Затем от полученного сигнала вычитает ся у = kxmini чем совмещаются динамические диапазоны АСК и датчикй.
Для примера рассмотрим унифицирующий преобразователь для лине аризации функции преобразования термопары, аппроксимируемой поли номом третьей степени
=C f t “J“ C y t“
где t — измеряемая температура; сх, с2, с3 — постоянные коэффициенты, зависящие от типа термопары.
Необходимо получить линейную зависимость UBых = f (t) в заданном динамическом диапазоне. Схема такого преобразователя представлена1 на рис. 135. Основой ее является усилитель постоянного тока, имеющий отрицательную обратную связь. Коэффициент усиления его составляет ■
|
koc = |
k/(l + pk), |
где р — коэффициент передачи |
цепи обратной связи; k — коэффициент |
|
усиления усилителя без обратной связи. |
||
Если pk |
1, то |
|
K z — 1/Р-
Тогда
I/* * = eJP = W + c2t2+ c3tz)ip.
По условию туры, т. е.
и Ш х .должно |
быть линейной |
функцией темпера |
U вых. = = |
[(Сг -j- С2( -f- C3t * W |
* |
Отсюда получаем
В = (сг + c2t + c3t2)l$ =
= Ьх + b2t -\- b3t2,
Р= ах + a2t + а3Р.
Следовательно, коэффициент пе редачи цепи обратной связи дол жен быть квадратической функцией от температуры, что обеспечивает линейную зависимость и вых =f {t) .
Это достигается цепочкой диодов, шунтированных резисторами. Из вестно, что начальный участок вольтамперной характеристики ди ода близок к квадратической зави
симости. Выходной усилитель позволяет получить'нужный уровень сиг нала на выходе преобразователя, например 10 В.
Важным элементом АСК являются переключатели, необходимые для поочередного подключения датчиков и сигнальных устройств к общим блокам системы, т. е. для временного разделения измерительных каналов. Такие переключатели характеризуются быстродействием и, погрешностью коэффициента передачи:
|
6 = |
(#вых ---Х в х ) / Х в х — Явых/^вх --- 1 = рп --- 1* |
где хвх |
и лгвых — сигнал на входе и выходе переключателя; 0П— коэф |
|
фициент |
передачи |
переключателя. |
Быстродействие характеризуется числом переключений в секунду» Важными параметрами переключателей также являются потребля
емая мощность, надежность, вибростойкость, габаритыидругие. Переключатели бывают электромеханические, электронные и комби
нированные. По принципу построения их можно разделить на три груп пы: 1) с отключением невыбранных каналов; 2) закорачиванием невыбранных каналов; 3) комбинированные. Переключатели могут быть односту пенчатыми .и многоступенчатыми. На рис. 136 показана структурная схема одноступенчатого переключателя. Генератор тактовых импульсов ГТИ, входящий в блок управления АСК, с заданной частотой выдает им пульсы на распределитель импульсов РИ, который сигналами поочеред но с помощью ключей.КЛ К2, ...» Кп подключает цепи датчиков или дру
гих элементов к нагрузке.
На рис. 137 показана структурная схема двухступенчатого переклю чателя. В этом случае датчикиразбиваются на равные m-групп. В цепи каждого датчика имеется ключ (ключи/С1, К2, ..., Кп), а группа датчиков
имеет групповой ключ (ключи /(!, KL •••, Кт)> В схеме имеется два рас пределителя импульсов РИ1 и РИ2, работающих от генератора такто вых импульсов ГТИ., Частота работы РИ2 в п раз меньше частоты РИ1.
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии РИ2 находится в первом положении, поэтому КГ включен. Распределитель РИ1 поочередно включает ключи КГ К2, ..., Кп и к нагрузке подключа-