Практикум по системам управления химико-технологическими процессами

20

Рис. 2.2. Классификация первичных измерительных преобразователей (датчиков) по виду измеряемой величины

Измерительные преобразователи – основные элементы, определяющие качество и стоимость информационно-измерительных и, следовательно, управляющих систем. Можно привести следующие

Современный этап развития этой области техники характеризуется разработкой многофункциональных интеллектуальных датчиков, обеспечивающих высокую точность, надежность, длительный срок службы.

Под интеллектуальным датчиком следует понимать датчик со встроенным микроконтроллером (своего рода – §интеллектом-). Интеллектуальный датчик имеет связь с системой управления, посылает ей не только измерительную информацию, но и результаты самодиагностики, информацию о сбоях, меняет свое метрологическое состояние по указанию §центра- и выполняет другие внешние и внутренние функции.

Интеллектуальный датчик содержит следующие основные компоненты: прецизионный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, высокоточный АЦП и микроконтроллер. Естественно, что для подключения интеллектуального датчика к сети сбора информации, в датчике должно быть предусмотрено средство, поддерживаю-

21

щее протокол обмена данными согласно какому-либо сетевому стандарту. Для обеспечения малого энергопотребления, низкой стоимости, высокой надежности интеллектуального датчика все его компоненты должны быть интегрированы на одном кристалле.

2.1.1. Структура измерительного преобразователя

Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей, представлена на рис. 2.3, а. Обозначенные пунктирными линиями элементы рисунка (входное сопротивление Rвх, необходимое для определения мощности внешнего источника питания в пассивных измерительных преобразователях) в активных (или автогенерирующих) измерительных преобразователях отсутствуют.

Рис. 2.3. Схема первичного измерительного преобразователя (а); упрощенная схема измерительной системы (б): ЧЭ – чувствительный элемент; ПЭ – преобразующий элемент; Rвх – входное сопротивление; Rвых – выходное сопротивление; Rп – сопротивление источника питания; Rн – сопротивление нагрузки; 1 – первичный измерительный преобразователь; 2 – согласующее устройство; 3 – выходное устройство (индикатор)

В таком представлении измерительный преобразователь можно рассматривать как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ).

Чувствительный элемент воспринимает измеряемую величину и преобразует ее в другую физическую величину. Далее промежуточный измерительный преобразователь (преобразующий элемент) преобразует физическую величину в электрический сигнал, который отражает значение измеряемой величины.

22

Не всегда можно разделить чувствительный и преобразующий элементы измерительного преобразователя, как это сделано на рис. 2.3, а. Некоторые элементы преобразователей могут выполнять одновременно несколько функций. Например, в интегральных датчиках, построенных на базе технологий микроэлектроники и микромеханики, чувствительный элемент интегрирован с промежуточными устройствами преобразования и нормализации сигналов, обеспечивая тем самым малые габаритные размеры и высокую надежность.

2.1.2. Промежуточные преобразователи

Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называют элемент, занимающий в измерительной цепи место после первичного измерительного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя – преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи. Наряду с преобразованием измерительной информации часто возникает необходимость усиления сигнала, например, его мощности, преобразования выходного сопротивления и пр.

Примером промежуточного измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра-расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления, образующийся на сужающем устройстве, в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и связанной с ним системы (например, механической) измерительного прибора.

На рис. 2.4 приведена классификация промежуточных преобразователей.

При измерении неэлектрических технологических параметров, таких как расход, давление, перепад давления, уровень, многие первичные измерительные преобразователи преобразуют измеряемую величину в смещение. Последующее преобразование смещения в электрический параметр осуществляется с помощью промежуточных преобразователей смещения: тензометрических, емкостных, пьезоэлектрических, индуктивных.

23

Рис. 2.4. Классификация промежуточных преобразователей (преобразующих устройств)

2.1.3. Преобразователи электрических сигналов

Преобразователи электрических сигналов – вспомогательные устройства АСУ, осуществляющие эквивалентное преобразование сигнала: модуляцию, демодуляцию, а также аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования.

Преобразователи электрических сигналов как типовые элементы САУ выполняют функции согласующих устройств без изменения количества информации, содержащегося в преобразуемом сигнале. Основные технические требования, предъявляемые к преобразователям электрических сигналов: точность и стабильность преобразования, а также высокое быстродействие.

На рис. 2.5 приведена блок-схема гармонических преобразователей.

Модуляция – изменение по заданному закону во времени параметров, характеризующих какой-либо стационарный физический процесс, например, изменение по определенному закону амплитуды, частоты или фазы гармонического колебания для внесения в колебательный процесс требуемой информации.

Рис. 2.5. Схема передачи сигнала с использованием гармонических преобразователей: U ( ) – напряжение несущей,

или опорной, частоты 0

Гармонический модулятор (см. рис. 2.5) выполняет следующее нелинейное преобразование. Входной сигнал U( ) модулирует несущую (или опорную) частоту 0, в результате выходное модулированное напряжение

где Um – амплитуда модулирующего сигнала; U ( ) – модулирующее напряжение.

Демодуляция – преобразование электрических колебаний, в результате которого получаются колебания более низкой частоты. Устройство, выполняющее обратное преобразование модулированного сигнала в инфранизкочастотный сигнал, называют демодулятором (см. рис. 2.5).

2.1.4. Нормирующие преобразователи

Для преобразования выходных сигналов первичных измерительных преобразователей в унифицированные сигналы для взаимного согласования входящих в АСУ элементов, дистанционной передачи сигналов по каналам связи служат промежуточные (нормирующие) преобразователи с унифицированным выходным сигналом, представляющие собой конструктивно законченные изделия. Принципиальные схемы основных преобразователей, применяемых в системах управления химико-технологическими процессами (СУ ХТП), рассмотрены ниже.

25

2.1.5. Электропневматический преобразователь

Электропневматический преобразователь (ЭПП) (рис. 2.6) преобразует непрерывный унифицированный сигнал постоянного тока в унифицированный пневматический сигнал.

Рис. 2.6. Упрощенная схема электропневматического преобразователя: 1 – преобразователь типа сопло – заслонка; 2 – постоянный магнит; 3 – рычаг с рамкой; 4 – сильфон отрицательной обратной связи

Входным сигналом преобразователя может быть, например, токовый сигнал Iвх = 0...5 мА, а выходным – пневматический сигнал

рвых = 0,02...0,1 МПа (0,2...1 кгс/см2).

Принцип действия ЭПП основан на преобразовании тока в пропорциональное усилие с помощью магнитоэлектрического устройства 2–3. Это усилие компенсируется со стороны пневматической системы: переменного дросселя 1 типа сопло – заслонка, снабженного сильфоном жесткой обратной связи 4.

2.1.6. Пневматический унифицированный преобразователь

Пневматические унифицированные измерительные преобразователи с силовой компенсацией (рис. 2.7) непрерывно преобразуют давление (разрежение), перепад давления, расход, уровень и другие параметры в унифицированный пневматический сигнал дистанционной передачи. В пневматическом преобразователе использован принцип пневматической силовой компенсации. Пневматический

26

унифицированный измерительный преобразователь состоит из измерительного преобразователя I (например, дифманометра) и унифицированного пневматического силового преобразователя II, представляющих единую конструкцию. В измерительной части I измеряемая величина преобразуется в пропорциональное усилие, компенсируемое усилием со стороны унифицированного пневматического силового преобразователя II.

pn

Рис. 2.7. Схема пневматического унифицированного измерительного преобразователя с силовой компенсацией: I – мембранный дифманометр; II – унифицированный пневматический электросиловой преобразователь; 1 – вялая мембрана дифманометра; 2 – уплотняющий сильфон; 3 – основной рычаг; 4, 5 – высокочувствительный индикатор рассогласования типа сопло – заслонка; 6 – постоянный дроссель; 7 – усилитель мощности; 8 – сильфон отрицательной обратной связи; 9 – пружина для установки начального значения выходного сигнала

Измеряемый параметр, перепад давления р = р2 – р1, воздействуя на чувствительный элемент (вялую мембрану 1) измерительного преобразователя, преобразуется в усилие f1, создающее момент М1 = К1 p. Давление воздуха pвых в сильфоне отрицательной обратной связи 8 создает усилие и соответственно момент М2 = К2 pвых. Так как момент М1 пропорционален измеряемому параметру, в данном случае р, а М2 – pвых, то

28

цифровыми преобразователями (АЦП). АЦП обычно является частью цифрового измерительного прибора.

Устройства, предназначенные для обратного преобразования цифрового сигнала в аналоговый, называют цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

В системах управления и регулирования с цифровыми ЭВМ применяются самые разнообразные АЦП и ЦАП.

2.1.8. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи применяются для формирования аналогового сигнала, пропорционального входному цифровому сигналу. ЦАП могут входить составной частью в схемы АЦП.

Цифро-аналоговые преобразователи часто применяются в АСУ с ЭВМ в контуре управления (в частности, с персональными компьютерами). Кроме того, ЦАП применяются в устройствах АЦП с обратной связью (рис. 2.8), в которых их используют для формирования аналогового сигнала UЦАП( ), пропорционального входному цифровому сигналу. Этот сигнал сравнивается с преобразуемым аналоговым напряжением Uвх( ).

Рис. 2.8. Аналого-цифровой преобразователь с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) в цепи обратной связи:

К – компаратор; ЦГ – цифровой генератор

Выходной сигнал компаратора используют для управления процессом формирования выходного кода. После достижения равенства напряжений UЦАП( ) = Uвх( ) компаратор обеспечивает фиксацию цифрового кода, значение которого представляет собой G(iTкв) входного напряжения в соответствующий момент времени (Tкв – такт квантования).

29

2.1.9.Способы аналого-цифрового преобразования

Воперациях цифрового преобразования есть чрезвычайно ответственный момент: любой цифровой сигнал содержит дискретные значения (или фиксированный шаг в некотором диапазоне значений или шагов). Аналоговый сигнал принимает любое значение в этом же диапазоне. Отсюда следует, что для обеспечения точного преобразования аналогового сигнала в цифровой необходимо диапазон изменений физической величины разбить на достаточно большое число интервалов.

Дискретные значения в диапазоне изменения цифровой величины называются уровнями квантования и полностью зависят от чис-

ла двоичных разрядов в цифровом слове, используемом для представления некоторой величины. Например, имеется 24 – 1 = 15 уровней квантования для цифрового представления 4-разрядного слова.

Вобщем случае n-разрядное слово дает всего 2" уровней в процессе аналого-цифрового преобразования (АЦ-преобразования). Получается, что разрешающая способность цифровой системы ограничивается в основном уровнями квантования, поскольку отдельное цифровое слово может представить одно отдельное аналоговое значение.

Большинство АЦ-преобразований основано на принципе грубого превращения аналогового сигнала в цифровой с последующим его преобразованием вновь в аналоговый и сравнением полученного значения с первоначальным. Если первоначальное значение аналогового сигнала больше, чем полученное в результате двойного преобразования, то цифровое значение увеличивается; если меньше, то уменьшается до тех пор, пока оба значения не будут одинаковыми.

Контрольные вопросы:

1.Классификация измерительных преобразователей (ИП).

2.Дайте определение интеллектуального датчика, назовите его основные компоненты.

3.Объясните структуру ИП.

4.Дайте определение промежуточного ИП. Приведите примеры.

5.Классификация преобразующих устройств.

6.Перечислите функции преобразователей электрических сиг-

налов.

7.Что понимают под модуляцией и демодуляцией сигналов?

8.Назначение нормирующих преобразователей.