8. Автоматический контроль(б7)
Процесс контроля сводится к проверке соответствия объекта установленным тех. требованиям. Контроль состоит из двух этапов:
1. Получение первичной информации о состоянии объекта (измерения).
2. Сравнение первичной информации с заранее установленными нормами. Обнаружение соответствия или несоответствия этим нормам является вторичной информацией.
Операции контроля могут осуществляться автоматически. Совокупность технических средств, с помощью которых выполняются операции автоматического контроля называются системами автоматического контроля.
Данные системы являются одним из основных звеньев систем автоматического управления САУ.
Структурная схема системы автоматического контроля.
УКИС – устройство коммутации испытательных средств
ГИВ – генератор испытательных воздействий
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
УККС – устройство коммутации контролируемых сигналов
ИП – измерительные преобразователи
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь
ПУИ – пульт управления и индикации
ИСО – интерфейсные схемы обмена
УВП – устройство ввода программ
РР – регистрация результатов
ВП – внешняя память
АИП – аналогово-измерительная подсистема
На структурной схеме можно выделить 5 подсистем:
1 – подсистема коммуникации (соединение) и связи – служит для непосредственного подключения системы к объекту контроля.
2 – подсистема измерительных преобразователей и генераторов испытательных воздействий – содержит преобразователи различных физ. величин в унифицированные эл. сигналы, а также генераторы сигналов, формирующих воздействие на объект контроля.
3 – подсистема согласующих профилей – содержит ЦАП и АЦП
4 – операционная система – содержит ЭВМ и ИСО.
5 – подсистема ввода-вывода информации – содержит устройства, обеспечивающие связь оператора с системой.
Измерительные преобразователи физ. величин.
Общие понятия. Согласно ГОСТ 16263-70 ИП – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерит. информации в форме удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателя. Измерительный прибор в отличии от ИП вырабатывает сигнал в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.
Преобразование одной и той же физ. величины может осуществляться различными по принципу действия ИП. ИП, обеспечивающие осуществление всех заданных преобразований с целью получения конечного результата составляют измерительную цепь.
В такую цепь помимо ИП входят различные измерительные средства. Первый в измерит. цепи преобразователь, на который поступает физ.величина от объекта называется первичным ИП (датчик). Следующие за первым ИП называется промежуточным. Последний в изм. цепи называется передающим.
В автоматических СИ и контроля сигнал преобразователя используют для ввода в вычислительное устройство. поэтому в большинстве случаев этот сигнал должен иметь цифровую форму.
погрешность автоматич. средства измерения определяется погрешностями, вносимыми каждым измерит. преобразователем.
Электрическое сопряжение измерительных преобразователей работающих по методу статического уравновешивания.
Рассмотрим измерит цепь с термообразующим ИП, работающего по принципу статического уравновешивания.
ЭС - элемент сравнения
У – усилитель с коэффициентом усиления К
ОП – цепь обратного преобразования с коэффициентом передачи β.
Rт – терморезистор
- температура
Uβ – уравновешивающее напряжение
U – сигнал рассогласования
Н – нагревательный элемент
В качестве ЭС
используется мостовая схема пост. тока
с одним активным плечом. Особенность
данной схемы – постоянство тепловой
энергии, рассеиваемой на терморезисторе.
Если К достаточно велик, то
крайне мал и мостовая схема всегда
работает в режиме близком к равновесному,
а Rт
практически равно R0.
постоянство значения Rт возможно в том случае, если сумма тепловых энергий от и Uβ также будет постоянной. При изменениях это постоянство возможно только в результате соответствующего изменения сигнала обратной связи Uβ. Относительное значение сигнала рассогласования определяется ч/з коэффициенты К и β.
Если сигнал рассогласования U не равен 0, то ИП работает по методу статистического уравновешивания.
Особое преимущество ИП уравновешивания по сравнению с Ип прямого преобразования при использовании в автоматических системах заключается в том, что процесс уравновешивания может осуществляться путем введения в схему программно-управляемых средств (ЭВМ, контроллеры). Программно-управляемый процесс позволяет значительно улучшить метрологические характеристики измерительного устройства.
ЦАП и АЦП. Основные понятия.
ЦАП – это устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток) пропорциональный входному цифровому сигналу. При этом значение цифрового сигнала зависит от значения опорного напряжения, определяющего полную шкалу выходного сигнала.
АЦП – это устройство, преобразующее аналоговый сигнал на выходе в цифровой код на входе. Цифровой код определяется отношением преобразуемого аналогового сигнала к опорному напряжению. АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжений с цифровым кодом.
Разрешающая способность ЦАП и АЦП
Разрешающая способность () – определяет число дискретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования. Чем больше дискретных значений, тем выше разрешающая способность. Двоичный N-разрядный преобразователь имеет 2n дискретных значений, а его разрешающая способность 1/2n
Нелинейность ЦАП и АЦП
Нелинейность (л(х))- характеризуется отклонением значений реальной функции преобразования от прямой.
Значение л(х) зависит от метода линеаризации.
Дифференциальная
нелинейность определяется отклонением
приращения вых. сигнала преобразователя
от номинального значения младшего
разряда при последовательном изменении
значений кодового вых. сигнала на
единицу. Допускаемым значение
дифференциальной нелинейности является
1/2,
где
- значение младшего разряда преобразователя.
Относительная дифференциальная
нелинейность вычисляется по формуле:
,
где
-
напряжение полной шкалы
ф – фактическое приращение вх. сигнала при изменении двоичного числа на 1.
Монотонность и коэффициент преобразования ЦАП и АЦП
Монотонность преобразователя.
Монотонность означает, что при каждом приращении вх. сигнала происходит приращение вых. сигнала того же знака. В противном случае преобразователь является немонотонным. Например, для линейного ЦАП допускаемые значения отклонения от монотонности /2.
Коэффициент преобразования.
определяет угол
наклона характеристики преобразования.
Погрешность нуля и абсолютная погрешность ЦФП и ФЦП
Погрешность нуля (0) – для ЦАП это выходное напряжение с нулевым кодом, для АЦП – это среднее значение вх. напряжения, необходимого для получения нулевого кода на выходе.
Смещение нуля вызывается током утечки через ключи ЦАП или напряжением смещения компаратора АЦП.
Абсолютная погрешность преобразователя.
Отражает отклонение фактического вых. сигнала преобразователя от теоритического, вычисляемого для идеального преобразователя.
Характеристики ЦАП и АЦП.
Относительная погрешность полной шкалы.
пш – погрешность
полной шкалы,
Uпш – номинальное напряжение полной шкалы.
Время установления ЦАП.
Это интервал времени, в течение которого аналоговый сигнал ЦАП при смене кодовой комбинации достигает своего установившегося значения с допускаемой погрешностью.
Время преобразования АЦП
Это интервал времени, в течение которого вых. код преобразователя при скачкообразном изменении вх. аналогового сигнала достигает значения, отличающегося от установившегося на величину допускаемой погрешности.
Согласование импедансов.
Импеданс – полное сопротивление цепи переменного тока.
Согласуется входной
Zвх
и выходной Zвых
импедансы преобразователей. Генераторные
ИП характеризуются мощностью потока
энергии, развиваемые преобразователем.
В этом случае мощность, передаваемая
от ИП1 с Zвых
и ИП2 с Zвх
будет макс. при Zвых
= Zвх.
Условия согласования импедансов
генераторных ИП. При согласовании
параметрических ИП следует учитывать
непостоянство Zвых,
т.к. вых сигналом является ток или
напряжение, то условие Zвых
= Zвх
в данном случае невыполнимо т.к. необходимо
руководствоваться след соображениями.
Для ИП с потенциальным выходом (вых
сигнал ЭДС) макс передаваемой ЭДС
наблюдается при соотношении Zвых
Zвх.
Относительная погрешность передачи
тока равна:
Для ИП с потенциальным
выходом (вых. сигнал ЭДС) макс. передаваемой
ЭДС наблюдается при соотношении Zвх.
Zвых.
Относительная погрешность передачи
изм информации равна
АЦП со сравнениями вх. сигнала с дискретными уровнями напряжения.
Наиб простым устройством такого типа является АЦП последовательного типа.
КН – компаратор напряжения
СЧ – счетчик импульсов
ИОН – источник опорного напряжения
Г – генератор тактовых импульса
В – вентиль
В момент t0 импульс запуска устанавливает счетчик в нулевое состояние. На выходе ЦАП устанавливается напряжение = 0. При этом КН находится в состоянии, разрешающем поступление ч/з вентиль В с генератора Г тактовых импульсов на счетчик. U вых ЦАП также повышается. В момент t1, когда число импульсов возрастет настолько, что превысит значение Uвых, КН изменит свое состояние и закроет вентиль, прекращая поступление тактовых импульсов в счетчик. В результате полученный счетчиком параллельный цифровой код . N вых будет эквивалентен величине преобразующего напряжения.
Электрическое сопряжение измерительных преобразователей по схеме делителя напряжения.
Rр – тензорезистор (чувствительный элемент сопротивления), кот является функцией давления.
Uип – напряжение источника питания
R0 – сопротивление делителя
Функция Uвых(Rp) нелинейная, что вносит трудности при дальнейшей обработке информации. Нелинейность может быть скомпенсирована применением дифференциального преобразователя делителя, в котором вместо R0 включается еще один тензорезистор. Если Rр1 работает на сжатие, то сопротивление Rp1+R то Rp2 должен работать на растяжение Rp1 - R. При этом функция преобразования будет линейной.
Общий недостаток делителей: наличие на выходе постоянной составляющей напряжения при отсутствии измеряемой величины. Кроме того, схема делителя очень чувствительна к изменениям температуры окр. среды. С целью устранения этих недостатков широко применяется измерит. мостовые схемы.
Согласование входных - выходных сигналов ИП по уровню.
Каждый ИП хар-ся динамичным диапазоном
где
-
наибольшее значение сигнала,
-
наименьшее значение сигнала.
Обозначим Хвых – сигнал передающего ИП, Хвход. – сигнал принимающего ИП
1. Полное согласование по уровню двух соседних ИП
Хвых min --------------- Хвых max
Хвх min ----------------- Хвх max
Диапазоны входных и выходных сигналов равны и пределы измерений совпадают. Никаких дополнительных устройств для согласования не требуется.
2. Динамические диапазоны совпадают, а абсолютное значение Хвых, Хвх лежат в различных областях.
Хвых min --------------- Хвых max
Хвх min ----------------- Хвх max
Хвых min --------------- Хвых max
Хвх min ----------------- Хвх max
При соединении таких ИП в цепь происходит полная потеря измерит. информации. Необходимо добавить дополнительные устройства (например, усилитель).
3. Динамические диапазоны равны, а абсолютное значение сигнала совпадает частично.
Хвых min --------------- Хвых max
Хвх min ----------------- Хвх max
Принимающий Ип
реагирует лишь на часть выходного
сигнала – передающего. Согласование
возможно путем включения усилителя с
коэффициентом
4. Неодинаковые динамические диапазоны
а) Хвых min ------- Хвых max
Хвх min ----------------- Хвх max
В этом случае можно не использовать согласующего устройства, но при этом возрастает относительная погрешность преобразователя. Для снижения погрешности используют усилитель с К. .
б) Хвых min --------------- Хвых max
Хвх min ---- Хвх max
Использование
согласующего усилителя с
вызывает потерю информации при некоторых
значениях вых сигнала. Для избежания
этого динамический диапазон передающего
преобразователя Двых разбивается на
ряд диапазонов, равных динамическому
диапазону принимающего преобразователя
Двх. Число диапазонов определяется
выражением
.
Такое устройство называется с делителем
переключателей диапазонов.
в) --------------
-------------------------------------- аналогично (а)
Выходные сигналы передающего ИП до значения Х’ должны быть усилены согласующим усилителем. А сигналы большие Х’’ должны быть ослаблены делителем.
Х’ Х’’
_
___________________________________
_____________________
Динамический диапазон Двых разбивается на n- поддиапазонов, аналогично (б). Сигналы, меньшие Х’ проходят через усилитель с переключателем К. Сигналы, превышающие Х’’ ослабляются усилителем Кд.