Управление технологическими процессами и технологические параметры

Содержание

 

Введение

Основные понятия управления технологическими процессами

Иерархия управления промышленным предприятием

Основные понятия регулирования

Автоматические системы регулирования

Обратная связь в АСР

Метрологические понятия

Элементы измерительной цепи

Метрологические характеристики измерительных преобразователей

Методы измерений

Элементы измерительных преобразователей

Электрические элементарные преобразователи

Магнитоэлектрический преобразователь

Пневматические элементарные преобразователи

Введение

Автоматизация производства позволяет повысить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции и снизить ее себестоимость. При автоматизации улучшаются условия труда, уменьшается аварийность на производстве и т.п.

На современном этапе развития технологии и автоматизации химических производств особое значение приобретает подготовка обслуживающего персонала по управлению технологическими процессами и аппаратами.

Дальнейший рост производительности технологических аппаратов и участков, улучшение технико-экономических показателей производства требуют проведения технологических процессов при высоких скоростях реакций, предельных значениях режимных параметров. Это предъявляет более жесткие, чем ранее, требования к управлению технологическими процессами.

Не зная основных принципов управления технологическими объектами, особенностей устройства и эксплуатации приборов, регуляторов и других средств автоматизации, в современных условиях невозможно управлять технологическими процессами и отдельными аппаратами. Поэтому изучение курса "Контрольно-измерительные приборы и автоматика" имеет важное значение для операторов химических производств.

Основные понятия управления технологическими процессами

Промышленное производство обычно подразделяется на ряд технологических процессов. Под технологическим процессом понимают такую переработку сырья и полуфабрикатов, которая приводит к изменению их физических и химических свойств и превращению в готовую продукцию. Иными словами, технологический процесс - совокупность механических, физико-химических и других процессов целенаправленной переработки сырья и полуфабрикатов.

Каждый технологический процесс характеризуется определенными технологическими параметрами, которые могут изменяться во времени. В химической технологии такими параметрами являются расход материальных и энергетических потоков, химический состав, температура, давление, уровень вещества в технологических аппаратах и др. Совокупность технологических параметров, полностью характеризующих данный технологический процесс, называется технологическим режимом.

Каждый технологический процесс в общем цикле производства имеет свое целевое назначение, в соответствии с которым к нему предъявляют определенные требования - обеспечение заданной или максимальной производительности, заданного или наилучшего качества продукции, заданных или минимальных затрат сырья (полуфабрикатов) и энергии на единицу готовой продукции и т.п.

Выполнение требований, предъявляемых к технологическому процессу, возможно лишь при целенаправленном воздействии на его технологический режим.

Рис. 1. Емкость с притоком и потреблением жидкости

Любой технологический процесс подвержен действию различных факторов, случайных по своей природе, которые нельзя заранее предусмотреть. Такие факторы называются возмущениями. К ним относятся, например, случайные изменения состава сырья, температуры теплоносителя, характеристик технологического оборудования и др. Возмущающие воздействия на технологический процесс вызывают изменения технологического режима, что, в свою очередь, приводит к изменению таких технико-экономических показателей процесса, как производительность, качество продукции, расход сырья и энергии и т.п. Поэтому для обеспечения заданных (требуемых) технико-экономических показателей необходимо компенсировать колебания технологического режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воздействие на технологический процесс представляет собой процесс управления. Совокупность требований, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления. Наконец, сам управляемый технологический процесс вместе с технологическим оборудованием, в котором он протекает, является объектом управления.

Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называются системой управления.

В качестве примера рассмотрим управление уровнем жидкости в емкости (баке), имеющей входной и выходной потоки, которые называются соответственно приток и потребление (рис. 1). При случайных (заранее неизвестных) колебаниях потребления, например за счет изменения производительности насоса, для управления уровнем следует воздействовать на приток. Здесь целью управления является поддержание постоянного уровня жидкости в емкости, а целенаправленное воздействие на приток представляет собой процесс управления. Объект управления в этом примере - емкость с притоком и потреблением и протекающий в ней процесс изменения уровня жидкости.

 

Иерархия управления промышленным предприятием

Современные процессы химической технологии весьма сложны и характеризуются большим количеством технологических параметров, прямо или косвенно влияющих на их технико-экономические показатели. Поэтому управление химико-технологическими процессами организуют по так называемому иерархическому принципу.

Иерархический принцип управления заключается в многоступенчатой организации процесса управления, где каждая ступень управления имеет свои объекты и цели управления.

Поясним сущность иерархического принципа управления технологическим процессом. Обычно целью управления является достижение заданных технико-экономических показателей процесса. Технологический режим, при котором достигаются заданные показатели, называется оптимальным. Необходимо непрерывно поддерживать технологические параметры процесса как можно ближе к их оптимальным значениям.

Управление технологическим процессом можно организовать в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления заключается в отыскании оптимального режима технологического процесса. Объектом управления при этом является весь технологический процесс с технологическим оборудованием. Тогда цель управления на нижней ступени - обеспечение минимальных отклонений технологических параметров от их оптимальных значений. Эта цель управления достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров. В данном случае вместо термина "управление" часто применяют "регулирование".

На нижней ступени технологический процесс рассматривают как совокупность простых (элементарных) процессов, которые вместе с технологическими аппаратами, где они протекают, представляют собой объекты регулирования данной ступени.

При подобной организации процесса управления найденные на верхней ступени оптимальные значения технологических параметров можно рассматривать как "руководящие указания" для нижней, т.е. нижняя ступень управления подчинена верхней в общем процессе управления. Поэтому такие ступени процесса управления называют иерархическими уровнями управления.

Мы рассмотрели управление отдельными технологическими процессами с целью получения заданных технико-экономических показателей. Однако при управлении всем предприятием возникают такие цели и задачи управления, которые нельзя отнести к отдельным технологическим процессам. Это задачи оперативного управления цехами, организации производства, планирования запасов сырья, полуфабрикатов и готовой продукции и т.п. Поэтому процесс управления предприятием должен включать еще один уровень, где решаются указанные задачи. Он является высшим иерархическим уровнем.

Таким образом, структура управления современным промышленным предприятием характеризуется тремя уровнями иерархии управления (рис.2). Нижний уровень (I) представлен так называемыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации отдельных технологических параметров. Такие простые задачи решаются автоматическими устройствами без участия человека, и поэтому системы регулирования нижнего иерархического уровня называются автоматическими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне - элементарные процессы с соответствующими технологическими аппаратами.

Рис. 2. Иерархический уровень управления предприятием

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управления на этом уровне являются уже целые технологические процессы вместе с технологическим оборудованием и локальными АСР. Здесь решаются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входит выявление и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переключение оборудования в технологических схемах, вычисление технико-экономических показателей процессов и т.п. Указанные функции управления относительно сложны и не могут быть целиком возложены на автоматические устройства. Поэтому в системах управления технологическими процессами применяют управляющие вычислительные машины (УВМ), а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управление всем предприятием. Объектом управления здесь является все производство и оборудование (включая вспомогательные службы: снабжения, сбыта, ремонтные, конструкторские и т.п.), а также АСУТП предыдущего иерархического уровня. Здесь решаются задачи управления всем производством в целом с применением УВМ и участием операторов. Система управления этого уровня получила название автоматизированной системы управления предприятием (АСУП).

Основные понятия регулирования

Рассмотрим процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости (см. рис. 1).

Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Пусть вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда прикрывают клапан на притоке.

Рис. 3. Автоматическое регулирование уровня в емкости: 1-поплавок, 2-рычаг, 3 - шток, 4 - клапан

При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.

Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известная величина. Во-вторых, получение информации о фактической величине уровня, т.е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В обоих рассмотренных примерах процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рис. 3 Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.

Из рассмотренных примеров видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.

Процесс регулирования уровня в емкости также не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопроводов, природы жидкости, конструкции клапана и т.п. Это позволяет изучать закономерности управления в общем виде, независимо от природы объектов управления и протекающих в них технологических процессов. Такие общие закономерности изучает теория управления. Рассмотрим основные термины и понятия теории управления.

Как отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий. В АСР эти действия выполняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется измерительным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумматором. Сумматор производит алгебраическое суммирование - вычитание измеренного значения параметра из заданного.

Устройство, вырабатывающее необходимое воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган. Обычно для перемещения регулирующего органа применяется отдельное устройство - исполнительный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В промышленных системах некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены, например сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом.

Нетрудно убедиться, что в приведенном примере объектом регулирования является емкость с притоком и потреблением жидкости, измерительным устройством - поплавок, рычаг выполняет роль сумматора и регулятора, а клапан - регулирующего органа. Структурная схема этой АСР, показывающая взаимосвязь ее элементов, представлена на рис.4.

 

Рис.4. Структурная схема АСР уровня в емкости

управление технологический параметр измерение

Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким образом, что воздействуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор - на регулирующий орган, регулирующий орган - на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов.

Физическая природа сигналов может быть различной: электрической, пневматической, механической. Так в рассматриваемой АСР применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общим свойством любых сигналов является передача воздействия от одних элементов систем к другим. Например, при регулировании уровня в емкости регулирующий орган воздействует на объект регулирования изменением притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкости на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении: от предыдущего к последующему. Поэтому еще одним общим свойством сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают входные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе говоря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала.

В общем случае элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал - степень открытия клапана, а выходной - расход жидкости через него. Для самой емкости с жидкостью, как объекта регулирования, входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, а зависящий от этих сигналов уровень в емкости - выходным сигналом.

Входные и выходные сигналы объектов регулирования могут не совпадать с входными и выходными потоками вещества и энергии. Так, в емкости (см. рис. 3) приток является входным, а потребление - выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из которых они изготовлены, природа выходных и входных сигналов и тому подобные факторы не играют существенной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные.

Среди элементов АСР особое место занимает объект регулирования. Это объясняется тем, что характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Например, назначение рассмотренной емкости с притоком и потреблением - создание запаса жидкости. Поэтому при разработке АСР объект рассматривают как элемент с заранее заданными свойствами. Свойства же остальных элементов системы и способы их соединения между собой можно изменять.

Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом - значит управлять его выходными сигналами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые сигналы объекта получили название регулируемых параметров. В химической технологии типичными регулируемыми параметрами являются уровень, давление, расход, концентрация, плотность, температура.

Заданное значение регулируемого параметра при его стабилизации называется иногда просто заданием, а разность между заданным и измеренным значениями регулируемого параметра - рассогласованием. Рассогласование, таким образом, характеризует отклонение регулируемого параметра от его задания, т.е. качеств стабилизации.

Для воздействия на выходные, регулируемые параметры объекта необходимо иметь возможность целенаправленно изменять его входные сигналы. Такие входные сигналы объекта называют регулирующими параметрами, а их целенаправленное изменение - регулирующим воздействием. Так, регулируемым параметром емкости является уровень жидкости в ней, а регулирующим - расход на притоке. Вообще в химико-технологических процессах расходы потоков вещества (жидкостей газов, паров и т.п.) и энергии (электрической, тепловой и т.п.) - наиболее распространенные регулирующие параметры.

Реальные объекты всегда подвергаются в той или иной мере действию различных возмущений. В технологических процессах возмущения - это случайные факторы, которые нарушают нормальный технологический режим. Так при регулировании уровня в емкости основными возмущениями являются колебания потребления, которые приводят к отклонению уровня от заданного значения. Другой пример: для помещения, в котором температура стабилизируется водяным отоплением, возмущениями будут колебания температуры воды в батарее наружного воздуха и т.п.

Возмущения могут воздействовать не только на объект регулирования, но и на любой другой элемент системы. Например, к возмущениям следует отнести износ клапана, т.е. возмущение, действующее на регулирующий орган.

Общее свойство любых возмущений - воздействие и элементы АСР, что вызывает случайные изменения их выходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.

 

Автоматические системы регулирования

В технологических процессах, как указывалось, действие возмущений приводит к отклонению фактического технологического режима от заданного (оптимального).

Для компенсации возмущающих воздействий и предназначены АСР технологических параметров. Иначе говоря, назначение АСР - устранить отклонение регулируемого параметра от его задания, т.е. рассогласование, вызываемое возмущениями.

Если бы можно было управляющим воздействием скомпенсировать все возмущения, действующие на объект, то его регулируемый параметр вообще не отклонялся бы от задания, т.е. не было бы рассогласования. Эта идея компенсации возмущений на входе объекта лежит в основе способа регулирования по возмущению. АСР, реализующая данный способ, называется АСР по возмущению. Структурная схема такой АСР приведена на рис.5, а.

В АСР по возмущению регулирующий параметр и изменяется в зависимости от возмущения ν таким образом, что регулирующее воздействие компенсирует возмущающее воздействие на объект. Таким способом, например, можно стабилизировать уровень в емкости. Для этого расход жидкости на притоке необходимо поддерживать равным расходу на потреблении. Тогда возмущающее действие колебаний потребления будет устраняться и уровень не изменится.

В промышленности АСР по возмущению обычно не применяют. Это объясняется тем, что в таких АСР нет контроля за рассогласованием и поэтому оно может бесконтрольно увеличиваться под действием неучтенных возмущений. Например, отклонение уровня в емкости от заданного значения с течением времени может увеличиться вследствие неточного измерения расхода, испарения жидкости с поверхности и т.д. С другой стороны, регулирование по возмущению принципиально позволяет устранить возмущающие воздействия на входе объекта до возникновения рассогласования. В этом достоинство данного способа регулирования.

Второй способ регулирования заключается в том, что регулирующий параметр объекта изменяют в зависимости от отклонения регулируемого параметра от задания. Структурная схема АСР, реализующей такой способ, приведена на рис. 5, б. Регулирующий параметр и при этом способе зависит только от рассогласования Δx.

Рис. 5. Структурные схемы АСР: а - по возмущению, б - по отклонению, в - комбинированная г - многоконтурная; С, С₁, С₂ - сумматоры, Р, Р₁, Р₂ - регуляторы, ИМ - исполнительный механизм, РО, РО₁, РО₂ - регулирующие органы, О - объект, И, И₁, И₂ - измерительные устройства Х_зад, Х_зад1, Х_зад2 - заданные значения регулируемых параметров (задания), х, х₁, х₂ - регулируемые параметры, х_и, х_и1 х_и2 - их измеренные значения, Δх, Δх1, Δх2 - рассогласования, z - выходной сигнал регулятора, μ, μ₁, μ₂ - положения регулирующего органа, и, и₁, и₂ - регулирующие параметры, ν - возмущение, ν_и - его измеренное значение

Зависимость выбирается такая, чтобы при любом рассогласовании, вызванном возмущающим воздействием, регулирующее воздействие всегда стремилось уменьшить рассогласование. Этот способ называется регулированием по отклонению, а АСР, в которой он используется, - АСР по отклонению.

Именно таким способом регулировался уровень в емкости (см. рис.3). Расход на притоке (регулирующий параметр) изменялся в зависимости от отклонения уровня от заданного значения таким образом, что при возрастании уровня расход на притоке уменьшался, а при его понижении - увеличивался.

Проследим взаимодействие элементов АСР по отклонению по ее структурной схеме.

Выходной сигнал объекта х воздействует на измерительное устройство, выходной сигнал которого - измеренное значение регулируемого параметра х_и. Этот сигнал сравнивается в сумматоре с сигналом задания х_зад и их разность, т.е. сигнал рассогласования Δх, преобразуется в выходной сигнал регулятора z. Наконец, исполнительный механизм и регулирующий орган преобразуют этот сигнал в регулирующее воздействие на объект - регулирующий параметр и. Другой входной сигнал объекта представляет собой возмущение ν.

Из структурной схемы АСР по отклонению видно, что сигналы в ней проходят по замкнутому контуру: от сумматора С через регулятор Р, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО на выход объекта - в прямом направлении, а с выхода объекта через измерительное устройство И - в обратном.

Такая связь объекта с регулятором называется обратной. Можно сказать, что обратная связь в АСР - это прием, с помощью которого осуществляется регулирование по отклонению. Обратная связь как бы замыкает выход АСР (регулируемый параметр) с ее входом (заданием), и поэтому АСР с обратной связью является замкнутой.

В замкнутой АСР регулирующее воздействие - реакция на рассогласование, возникает она после его появления. Это недостаток способа регулирования по отклонению, так как в идеальной АСР рассогласование вообще не должно возникать.

Как известно, причиной рассогласования являются различные возмущения, действующие в АСР. Регулирование с использованием обратной связи уменьшает возникающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмущения). При таком регулировании не требуется информация об источнике, характере и величине возмущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи можно управлять любыми реальными объектами при неизвестных возмущениях. В этом преимущество АСР по отклонению перед АСР по возмущению.

Возможно одновременное применение способов регулирования по отклонению и возмущению. Структурная схема такой АСР - комбинированной - дана на рис.5, в. Она отличается от схемы АСР по отклонению тем, что в регулятор кроме сигнала рассогласования Δх вводится измеренное значение ν_и возмущения ν.

В комбинированной АСР основные возмущения компенсируются регулирующим воздействием на входе объекта, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся, не основных возмущений, а также ошибок измерения и неточной компенсации основных возмущений. Следовательно, в комбинированной АСР рассогласование будет, меньше, чем в АСР по отклонению. Поэтому комбинированные АСР обеспечивают большую точность регулирования, но зато они более сложны.

Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмущению в принципе может полностью устранить рассогласование, т.е. сделать АСР нечувствительной к возмущениям. Однако для этого требуется идеально точное измерение и компенсация всех возмущений, что практически невозможно. Поэтому способ регулирования по возмущению применяется обычно как дополнение к регулированию по отклонению в комбинированных АСР для улучшения их свойств. Для регулирования же по отклонению не требуется информация о возмущениях, и поэтому этот способ легко реализуется на практике с помощью обратной связи. Однако по этой же причине в АСР с обратной связью рассогласование принципиально не может быть устранено полностью, ибо регулирующее воздействие на объект осуществляется лишь после возникновения рассогласования, т.е. как бы запаздывает во времени.

Если бы можно было заранее предвидеть возмущения и реакцию объекта на них, то стало бы возможным формирование регулирующего воздействия с необходимым предварением, чтобы не допустить возникновения рассогласования. Оказывается, что о будущем поведении объекта можно судить по скорости изменения рассогласования.

Действительно, если в каждый текущий момент времени измеряется не только само рассогласование, но и скорость его изменения, то можно рассчитать (предсказать) рассогласование на следующий, будущий момент. На вход регулятора АСР тогда подается не текущее, а предсказанное рассогласование, в результате чего регулирующее воздействие производится с необходимым предварением. Таким образом можно еще больше уменьшить рассогласование. АСР, использующие такой эффект предварения, - это АСР с предварением.

АСР классифицируют не только по способу регулирования, но и по характеру сигналов регулирующего воздействия и сигналов задания. По характеру сигналов регулирующего воздействия различают АСР непрерывные и дискретные. В непрерывных АСР регулирующее воздействие может изменяться непрерывно. В дискретных АСР регулирующее воздействие может изменяться скачками либо только в определенные моменты времени (дискретность по времени), либо только на определенную величину (дискретность по величине). В первом случае АСР является импульсной, во втором - релейной.

Импульсные АСР обычно применяют, когда регулируемый параметр измеряется дискретно во времени (например, измерение концентрации раствора путем периодического отбора проб на анализы). В этом случае и регулирующий параметр обычно изменяется также дискретно.

В релейной АСР регулирующий параметр может принимать лишь несколько возможных значений. Релейная АСР с двумя возможными значениями регулирующего параметра - двухпозиционная, а с тремя - трехпозиционная. Например, при регулировании температуры в электрической нагревательной печи регулирующий параметр имеет два значения: "нагреватель - включен" и "нагреватель выключен".

Задание в АСР может быть постоянной величиной или изменяться во времени. В соответствии с этим АСР делятся на стабилизирующие, программные и следящие.

В стабилизирующих АСР задание является постоянной величиной. В программных АСР задание изменяется по определенному, заранее заданному закону, а в следящих АСР - произвольно. Примером стабилизирующей АСР является система стабилизации уровня в емкости, когда заданное значение уровня постоянно. Примером программной АСР может служить система регулирования температуры в печи для закалки стальных заготовок. Температура здесь должна понижаться по определенному закону во времени.

Пример следящей АСР - система регулирования расхода воздуха, подаваемого в форсунку для сжигания топлива. Для обеспечения оптимального режима горения задание на расход этого воздуха изменяют пропорционально расходу топлива.

Следует помнить, что сама стабилизация технологического параметра, как цель регулирования в АСР, предполагает любое изменение задания.

Мы рассматривали АСР, в которых один регулируемый и один регулирующий параметры. В замкнутых АСР они связываются в один контур, образованный прямой и обратной связями, и поэтому такие замкнутые АСР называются одноконтурными или односвязными.

С помощью только односвязных АСР не всегда можно достичь требуемого качества управления технологическими процессами, так как они не учитывают влияния друг на друга регулируемых и регулирующих параметров различных АСР. Поэтому применяют так называемое связанное регулирование, учитывающее взаимное влияние параметров. Такое регулирование осуществляется многоконтурными АСР.

Многоконтурная АСР может быть представлена в виде совокупности одноконтурных АСР, связанных между собой дополнительными перекрестными сигналами. Пример многоконтурной АСР, состоящей из двух одноконтурных с одним перекрестным сигналом, приведен на рис.5, г.

 

Обратная связь в АСР

Для выяснения сущности обратной связи проанализируем подробно процесс регулирования в замкнутой АСР по отклонению.

Рассмотрим действие обратной связи в АСР уровня в емкости (см. рис. 3 и 4). Пусть первоначально расходы на притоке и потреблении одинаковы, а уровень равен заданному. Если возникнет случайное возмущение, например потребление уменьшится, то уровень начнет расти. Если бы обратной связи не существовало, т.е. поплавок не был бы связан с клапаном, рост уровня продолжался бы все время, пока потребление из емкости меньше притока вплоть до ее переполнения. Действие же обратной связи приводит к тому, что по мере роста уровня клапан будет все больше и больше прикрываться, уменьшая тем самым расход на притоке.

Этот расход будет уменьшаться до тех пор, пока не прекратится рост уровня, т.е. снова не наступит равенство притока и потребления. Таким образом, в результате действия обратной связи рост уровня, вызванный возмущением со стороны потребления, прекратится. При этом положение клапана будет отличаться от первоначального (он будет больше прикрыт), а так как клапан жестко связан с поплавком, измеряющим уровень, то и значение уровня станет иным, чем заданное. Отсюда следует, что такая АСР уровня компенсирует вредное действие возмущения не полностью: рост уровня прекращается, но он не возвращается к заданному значению.

Существуют системы, которые устраняют рассогласование полностью. Примером может служить АСР давления в воздушном ресивере с притоком и потреблением воздуха. Принципиальная схема этой системы приведена на рис.6, а взаимодействие ее элементов можно проследить по структурной схеме на рис.5, б.

 

Рис. 6. Автоматическое регулирование давления воздуха в ресивере:

- ресивер, 2 - клапан, 3 - груз, 4 - шток, 5 - мембрана, 6 - соединительная трубка.

Цель управления здесь - стабилизация давления в ресивере воздействием на расход воздуха на притоке. Объектом в системе является ресивер 1 с притоком и потреблением, регулируемым параметром х - давление в ресивере, регулирующим и - расход воздуха на притоке, возмущением v - расход воздуха на потреблении.

Расход на притоке изменяется клапаном 2, являющимся регулирующим органом. Функцию измерительного устройства выполняет мембрана 5, роль сумматора и регулятора - шток 4. Заданное значение давления х_зад определяется весом груза 3.

Давление в ресивере через трубку 6 действует снизу на мембрану 5 и создает на ней и, следовательно, на штоке усилие, пропорциональное измеряемому давлению и направленное вверх. Это усилие сравнивается с весом груза, также действующего на шток, но направленного вниз. Результирующее усилие на штоке является рассогласованием Δх и вызывает его перемещение. В результате изменяется степень открытия клапана μ, а значит, и расход воздуха на притоке, т.е. регулирующий параметр u.

Пусть в начальный момент времени давление в ресивере равно заданному. Тогда усилие на мембране уравновешивается весом груза н поэтому результирующее усилие на штоке равно нулю. Шток при этом неподвижен и занимает такое положение, при котором приток равен потреблению. Тогда давление в ресивере не будет изменяться.

Предположим, что расход потребляемого воздуха уменьшился, т.е. в системе возникло возмущение. Тогда количество воздуха в ресивере начнет увеличиваться и давление в нем будет возрастать. Это приведет к увеличению усилия, действующего на мембрану со стороны измеряемого давления. В результате шток начнет перемещаться вверх, а клапан прикрываться, уменьшая приток воздуха в ресивер. Перемещение штока и уменьшение притока воздуха будут продолжаться до тех пор, пока усилия на штоке не уравновесятся. Так как вес груза не изменился, то при уравновешивании усилий на штоке давление в ресивере снова вернется к заданному значению.

Таким образом, в рассмотренной АСР регулирующее воздействие осуществляется до тех пор, пока не исчезнет рассогласование. Способность этой системы в отличие от АСР уровня в емкости полностью устранять рассогласование, вызванное случайными возмущениями, является ее важной особенностью.

Из рассмотренных примеров видно, что действие обратной связи направлено на уменьшение рассогласования независимо от того, какими причинами оно вызвано. Убедимся теперь, что это свойство обратной связи проявляется в любой АСР по отклонению. Для этого рассмотрим структурную схему АСР по отклонению (см. рис.5, б).

Предположим, что сначала все сигналы в системе постоянны. Если под действием каких-либо возмущений регулируемый параметр х начнет изменяться, то будет изменяться и рассогласование Δх. Регулятор станет реагировать на изменение рассогласования и через регулирующий орган изменять регулирующий параметр и. Регулирующее воздействие на объект будет стремиться вернуть регулируемый параметр х к его первоначальному значению, компенсируя тем самым действие возмущения. Этот процесс в АСР не прекратится до тех пор, пока регулируемый параметр не перестанет изменяться, так как любое его изменение преобразуется сумматором С, регулятором Р, исполнительным механизмом ИМ и регулирующим органом РО в регулирующее воздействие на объект.

Итак, в любой АСР возмущение стремится вывести ее из состояния равновесия, а действие обратной связи - вернуть к нему. Под состоянием равновесия, или установившимся состоянием, понимают такое состояние системы управления, при котором отсутствуют возмущающее и регулирующее воздействия, и поэтому все ее сигналы остаются неизменными во времени. Аналогично определяется состояние равновесия отдельных элементов системы: объекта, регулятора и т.д. Любое другое состояние системы или ее элементов называется неустановившимся.

Используя понятие равновесия системы управления, можно сформулировать основное различие рассмотренных АСР уровня в емкости и давления в ресивере. АСР давления независимо от величины возмущающего воздействия всегда стремится к одному и тому же состоянию равновесия, в котором рассогласование между регулируемым параметром и его заданием равно нулю. В АСР уровня состояние равновесия зависит от величины возмущающего воздействия и поэтому рассогласование может быть и не нулевым.

В первом случае регулятор и сама АСР называются астатическими, а во втором - статическими.

Установившееся рассогласование в состоянии равновесия АСР называется остаточным отклонением или статической ошибкой.

Любой астатический регулятор обладает следующим характерным свойством: его выходной сигнал непрерывно изменяется, пока на его входе имеется ненулевое рассогласование, и становится постоянным лишь после исчезновения рассогласования. Таким образом, состоянию равновесия астатического регулятора соответствует нулевой входной сигнал, а его выходной сигнал при этом может иметь любое значение.

Чтобы регулятор был астатическим, он должен содержать элемент, обладающий указанной реакцией на входной сигнал. Такой элемент называется интегратором. Он не обязательно должен быть частью конструкции регулятора: иногда функцию интегратора выполняет исполнительный механизм.

В статическом же регуляторе состояние равновесия может быть достигнуто и при ненулевом входном сигнале. При этом выходной сигнал регулятора однозначно связан с входным: каждому значению установившегося рассогласования соответствует одно определенное значение установившегося выходного сигнала.

Так, в астатическом регуляторе АСР давления в ресивере (см. рис.6) шток 4 будет непрерывно перемещаться, пока результирующее усилие на нем не станет равным нулю. В момент уравновешивания на штоке усилий со стороны мембраны 5 и груза 3 он остановится в произвольном положении. Следовательно, здесь шток выполняет функцию интегратора. В статическом регуляторе АСР уровня в емкости (см. рис. 3) в момент уравновешивания каждому углу поворота рычага 2 соответствует свое положение штока 3.

Характер процесса регулирования в замкнутой АСР существенно зависит от усиления сигналов в контуре регулирования, состоящем из прямой и обратной связей. Эффект усиления в таком контуре характеризуется глубиной обратной связи. Чтобы определить глубину обратной связи, нужно разорвать контур регулирования, например, между сумматором и регулятором. Если в такой разомкнутой АСР создать на входе регулятора некоторое рассогласование, то этот сигнал, пройдя по контуру регулирования, в свою очередь, вызовет на выходе сумматора некоторое рассогласование. Тогда отношение этого рассогласования к рассогласованию на входе регулятора и будет глубиной обратной связи.

Как известно, в астатическом регуляторе постоянно (ненулевое) рассогласование вызывает непрерывное изменение выходного сигнала. Следовательно, в разомкнутой астатической АСР рассогласование на выходе сумматора, а значит, и глубина обратной связи неограниченно увеличиваются с течением времени. В статической же АСР глубина обратной связи вполне определенная. Отсутствие статической ошибки в астатической АСР обусловлено именно бесконечно большой глубиной обратной связи.

До сих пор рассматривалась такая обратная связь АСР, при которой регулирующее воздействие, вызванное рассогласованием, приводит к его уменьшению. Такая обратная связь называется отрицательной. В приведенных примерах АСР обратная связь была отрицательной. Возможно и противоположное действие обратной связи, когда увеличивается первоначальное рассогласование в АСР. Такая обратная связь называется положительной.

Если в рассмотренных АСР изменить конструкцию клапана таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз - закрывался, то обратная связь станет положительной.

Очевидно, что положительная обратная связь противоречит основному назначению АСР - уменьшению рассогласования. Поэтому такая обратная связь применяется только для вспомогательных целей (например, для коррекции свойств отдельных элементов АСР).

 

Метрологические понятия

Управление технологическими процессами, как известно, невозможно без измерения технологических параметров. Измерительное устройство является обязательным элементом любой АСР: в АСР по отклонению измеряется регулируемый параметр, в АСР по возмущению - параметр возмущения, в комбинированной АСР - то и другое одновременно. Измерения технологических параметров необходимы не только для работы АСР, но и для контроля технологического режима оператором, а также для управления на более высоких иерархических уровнях.

Наука об измерениях называется метрологией.

Для измерения различных параметров пользуются единицами физических величин, совокупность которых образует систему единиц. В системе различают основные и производные единицы. Основные - это единицы, на основе которых построена данная система. Всё остальные единицы выражаются через физические закономерности между основными единицами и являются производными.

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с соответствующей единицей измерения. Нахождение величины параметра опытным путем с помощью специальных технических средств называется измерением.

Измерения, при которых величина измеряемого параметра определяется непосредственно по показаниям прибора, являются прямыми. Это, например, измерения напряжения - вольтметром, сопротивления - омметром, массы тела - рычажными весами с гирями, температуры - термометром, давления - манометром, электрической энергии - электросчетчиком и т.п.

Иногда прямые измерения невозможны или затруднительны. В таких случаях значение измеряемого параметра может быть найдено путем прямых измерений других параметров, связанных с измеряемым известной зависимостью. Это измерения косвенные.

Например, сопротивление электрического нагревателя в рабочем состоянии (при прохождении через него тока) невозможно измерить омметром. Однако его можно вычислить по закону Ома, измерив для этого падение напряжения на нем вольтметром, а ток через него - амперметром. Это пример косвенного измерения сопротивления путем прямых измерений напряжения и тока.

Совокупность технических средств, с помощью которых осуществляется процесс измерения, называется измерительной цепью. Так, при измерении напряжения вольтметр представляет собой измерительную цепь. При взвешивании тела на рычажных весах измерительная цепь состоит из весов и набора гирь.

Любой измеряемый параметр можно рассматривать как выходной сигнал объекта измерения. Так, в рассмотренных примерах объектами измерения был источник с выходным сигналом - напряжением и взвешиваемое тело с выходным сигналом - массой этого тела. При измерении уровня жидкости в емкости объект измерения - сама емкость с запасом жидкости, а выходной сигнал - уровень этой жидкости.

Измеряемый параметр можно рассматривать как входной сигнал измерительной цепи, а результат измерения - как ее выходной сигнал. Например, положение стрелки на шкале вольтметра, масса гирь, уравновешивающих взвешиваемое тело на рычажных весах, график, вычерчиваемый самопишущим измерительным устройством на диаграммной ленте, цифры на счетчике электроэнергии - все это выходные сигналы измерительных цепей. Эти выходные сигналы доступны для наблюдения.

В заключение можно сделать вывод, что измерение есть, по существу, преобразование измеряемого параметра в сигнал, удобный для наблюдения или для дальнейшего преобразования в АСР. Это преобразование измеряемого сигнала осуществляется измерительной цепью. Таким образом, измерительная цепь представляет собой устройство или совокупность устройств, преобразующих измеряемый сигнал в результат измерения.

 

Элементы измерительной цепи

Преобразование измеряемого сигнала в требуемый выходной сигнал в измерительной цепи может осуществляться одним или несколькими элементами - измерительными преобразователями.

Так как сигнал, предназначенный для наблюдения, является выходным сигналом измерительной цепи, то измерительный прибор всегда бывает последним преобразователем этой цепи. Простая измерительная цепь (рис.7) состоит из одного измерительного прибора ИП. Уже приводились примеры такой простой измерительной цепи для измерения напряжения вольтметром и взвешивания тела на рычажных весах.

Рис. 7. Простая измерительная цепь: О - объект измерения, ИП - измерительный прибор

В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т.е. измеряемым сигналом.

Если сложная измерительная цепь включает помимо первичного преобразователя и измерительного прибора другие измерительные преобразователи, то их называют промежуточными. Все сигналы сложной измерительной цепи за исключением входного и выходного также являются промежуточными. Схема сложной измерительной цепи, состоящей из первичного преобразователя ПП, промежуточного преобразователя ПрП и измерительного прибора ИП, представлена на рис.8.

Рис. 8. Сложная измерительная цепь: О - объект измерения, ПП - первичный преобразователь, ПрП - промежуточный преобразователь, ИП - измерительный прибор

Если для измерения каждого технологического параметра использовать простую измерительную цепь, состоящую из одного измерительного прибора, то потребуется очень много разновидностей подобных приборов. Что бы избежать этого, применяют сложную измерительную цепь. Это позволяет использовать один и тот же измерительный прибор для измерения различных технологических параметров.

Первичный преобразователь находится в контакте с измеряемой средой и часто подвергается воздействию высоких температур и давлений, вибрации, влажности и т.п. Поэтому для измерения даже однотипных параметров выпускаются различные первичные преобразователи, отличающиеся условиями эксплуатации. Иногда непосредственный контакт первичного преобразователя с измеряемой средой вообще недопустим (например, при измерении высоких температур или уровня в сосудах высокого давления). В таких случаях применяют неконтактные первичные преобразователи, не соприкасающиеся с измеряемой средой.

С помощью промежуточного сигнала удается отделить первичный преобразователь от измерительного прибора и разместить измерительный прибор на щите оператора, где обеспечены нормальные условия эксплуатации.

Вид промежуточного сигнала определяется, с одной стороны, принципом действия и конструкцией первичного преобразователя, а с другой - удобством передачи сигнала на расстояние и дальнейшего его преобразования. Зачастую эти требования оказываются противоречивыми: стремление получить простую и надежную конструкцию первичного преобразователя идет вразрез с требованием удобства дистанционной передачи промежуточного сигнала по каналу связи к измерительному прибору. Так, многие промышленные первичные преобразователи имеют неудобный для дистанционной передачи выходной сигнал в виде силы или перемещения.

Такие выходные сигналы могут быть измерены лишь при непосредственной механической связи измерительного прибора с первичным преобразователем. Для этого измерительный прибор должен быть расположен рядом с первичным преобразователем или даже объединен с ним в один блок. Если же измерительный прибор установлен на щите оператора и удален от такого первичного преобразователя, то применяют промежуточное преобразование выходного сигнала первичного преобразователя в сигнал, удобный для дистанционной передачи. Иногда в измерительной цепи может быть несколько промежуточных преобразователей, которые предназначены для усиления, размножения сигнала и т.п.

В сложной измерительной цепи (см. рис.8) входным сигналом измерительного прибора является уже не измеряемый, а промежуточный сигнал. В промышленности используют ограниченное число промежуточных сигналов, что позволяет существенно уменьшить номенклатуру измерительных приборов - наиболее сложных и дорогих элементов измерительной цепи. Благодаря этому один и тот же измерительный прибор может применяться для измерения различных технологических параметров. В этом основное преимущество сложной измерительной цепи перед простой.

Выходные сигналы промежуточных преобразователей, как правило, бывают электрические или пневматические. Такие сигналы наиболее удобны для дистанционной передачи. Вид и пределы изменения промежуточных сигналов унифицированы Государственной системой приборов (ГСП).

В табл. 1 приведены наиболее часто употребляемые в системе ГСП унифицированные сигналы и пределы их изменения.

Таблица 1 Унифицированные сигналы и пределы их изменения

Ветвь ГСП	Унифицированный сигнал	Пределы изменения
1. Электрическая: а) аналоговая	Постоянный ток	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.):

)        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.);

)        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 х_п обозначить результат измерения, а через х - истинное значение параметра, то абсолютная погрешность Δх равна:

 

Δх = х_и-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 δ - отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемого параметра, т.е.

 

δ = Δх/х= (х_и-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%.

 

γ = Δх/ х_N. (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 Δх. Таким образом, чем выше чувствительность измерительного преобразователя, труднее обеспечить требуемую приведенную погрешность γ, 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 у_н, соответствующим начальному значению входного сигнала х_н, и углом ее наклона α. Как видно из рис.10, тангенс угла наклона характеристики равен отношению диапазона изменения выходного сигнала преобразователя δy к диапазону изменения его входного сигнала δх. Эта величина называется коэффициентом передачи к измерительного преобразователя:

k=tg α =δy/δx (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 γ_max:

γ_max= γ₁ + γ₂ + … + γ_n (5)

где γ₁, γ₂, … γ_n - 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 γ_max. Такая приведенная погрешность называется среднеквадратичной γ_ск 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 х_п+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,…, П_n - измерительные преобразователи, х₁, х_2,. х_n+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·…·k_n (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 Δх: между величиной меры х_м 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 х_м. 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, х_м-величина меры, Δх - 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, х_м - величина меры, Δх - 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 Δх между измеряемым параметром х и величиной меры х_м является рассогласованием. Действие обратной связи приводит к тому, что в установившемся состоянии рассогласование Δх равно нулю, т.е. сигнал х_м равен измеряемому сигналу х. Поэтому измеряемый параметр х связан с результатом измерений х₂ точно так же, как связана с ним величина меры х_м.

Но сигнал х_м является выходным сигналом обратного преобразователя ОП, а сигнал х_{2 -} 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 х_м от измеряемого сигнала х в этом случае не равно нулю (Δх≠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.

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 U_пит При изменении входного сигнала - сопротивления R_{1 -} 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 R_м. Тогда из формулы (16), полагая U=0, найдем условие равновесия:

R_мR₄=R₂R₃ (17)

Отсюда следует, что мост уравновешен, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

Обозначим теперь через ΔR отклонение сопротивления R₁ переменного резистора от величины R_м, т.е.

ΔR=R₁-R_м (18)

Величина R_м 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 ΔR и U малы, зависимость выходного сигнала U от отклонения ΔR приближенно можно считать линейной:

U=k·ΔR (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 R_м; линейное преобразование их разности ΔR 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 ΔR 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 R_м 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 φ - 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 φ остается линейной:

 

М = k·φ, (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 U_пит, 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.

Q= Δр/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).

По характеру движения воздуха постоянные дроссели делят на турбулентные и ламинарные. Турбулентные дроссели (рис.24, а) обычно выполняют в виде жиклеров - каналов с малым отношением длины к диаметру, а ламинарные (рис.24, б) в виде капилляров - каналов с большим отношением длины к диаметру.

Рис. 24. Постоянные дроссели: а - турбулентный, б - ламинарный

Наиболее распространенные конструкции переменных дросселей показаны на рис. 25.

Рис. 25. Переменные дроссели: а - цилиндр-конус, б - поршень-канавка, в - сопло-заслонка; 1 - втулка, 2 - конус, 3 - канавка, 4 - поршень, 5 - сопло, 6 - заслонка

На рис. 25, а представлен переменный дроссель типа цилиндр-конус, представляющий собой цилиндрическую втулку 1, вдоль которой перемещается конус 2. Проходное сечение такого дросселя зависит от положения конуса относительно цилиндра.

На рис. 25, б изображен переменный дроссель типа поршень-канавка. Он состоит из цилиндрической втулки 1 и поршня 4 с винтовой канавкой 3. Рабочая длина канавки изменяется при перемещении поршня вдоль втулки. Пневматическое сопротивление такого дросселя определяется не площадью проходного сечения, как в предыдущем случае, а длиной канавки.

На рис. 25, в показан переменный дроссель типа сопло-заслонка, состоящий из сопла 5 с цилиндрическим отверстием и заслонки 6. Пневматическое сопротивление такого дросселя зависит от величины зазора между соплом и заслонкой и изменяется при перемещении заслонки.

Пневматические дроссели применяются в схемах делителей давления, аналогичных делителям напряжения в электрических цепях. Простейший делитель давления состоит из двух последовательно соединенных дросселей с пневматическими сопротивлениями R₁ и R_{2 (}рис. 26).

Рис. 26. Делитель давления

Аналогично законам электротехники перепады давления р₁ - р₂ и р₂ - р₃ на дросселях делителя давления пропорциональны их пневматическим сопротивлениям R₁ и R₂:

 (26)

Из этой формулы можно найти промежуточное давление р₂:

 (27)

Промежуточное давление, как видно из формулы (27), - результат сложения двух давлений р₁ и р₂, умноженных на соответствующие коэффициенты. Поэтому схема делителя, приведенная на рис.26, часто называется дроссельным сумматором.

Если воздух после второго дросселя выходит в атмосферу, то p₃=0. В этом случае формула (27) примет вид:

 (28)

Рассмотрим теперь устройство и принцип действия элементарных пневматических преобразователей, наиболее распространенные из которых приведены в табл. 5.

Таблица 5

Элементарный преобразователь	Входной сигнал	Выходной сигнал
Мембрана Трубчатая пружина Сильфон Сопло-заслонка	Давление Давление Давление Линейное перемещение	Сила Линейное перемещение Сила или линейное перемещение Давление

Мембрана. Это зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани, с жестким диском в центре (рис.27). Мембрана преобразует давление в силу. Так как эта сила F согласно формуле (23) пропорциональна приложенному давлению р, то статическая характеристика мембраны, как преобразователя, линейная.

Для преобразования давления сжатого воздуха в линейное перемещение или силу служат также трубчатые пружины и сильфоны.

Трубчатая пружина. Представляет собой согнутую в виде дуги трубку овального сечения (рис. 28). Один конец трубки запаян, а в другой, укрепленный неподвижно, подается измеряемое давление. Под действием давления р трубка стремится распрямиться, вследствие чего ее свободный запаянный конец перемещается. Это перемещение l пропорционально измеряемому давлению р:

 

L=k·p (29)

где коэффициент пропорциональности k - коэффициент передачи трубчатой пружины как преобразователя.

Рис. 27. Мембрана       Рис. 28. Трубчатая пружина

Сильфон. Это гофрированная трубка, один конец которой закрыт (дно сильфона), а к другому подводится давление р (рис. 29). Под действием давления сильфон растягивается. Зависимость перемещения дна сильфона l от измеряемого давления р, как и в трубчатой пружине, выражается формулой (29).

Если перемещению дна сильфона препятствует неподвижная опора, то выходным сигналом сильфона является не перемещение, а сила F, действующая на опору. Зависимость этой силы от давления р выражается формулой (23), из которой видно, что эта характеристика сильфона также линейная.

Преобразователь сопло-заслонка. Для преобразования линейного перемещения в давление сжатого воздуха применяют переменный дроссель типа сопло-заслонка в сочетании с постоянным дросселем (рис.30, а). Постоянный дроссель R₁ вместе с переменным дросселем сопло-заслонка R₂ образует делитель давления.

Давление питания р₁ подводится к постоянному дросселю R₁ а выходным сигналом делителя является промежуточное давление р₂ Это давление согласно формуле (28) зависит от изменяемого сопротивления дросселя R₂ и, следовательно, от перемещения заслонки l.