ЛЕКЦИЯ 6 Прин.постр.приб 4ч

ЛЕКЦИЯ 6. (3.4) ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ.

Измерительная цепь прибора представляет собой различное сочетание (соединение) преобразователей. Условным изображением структуры прибора является его структурная схема, отображаю­щая, с одной стороны, порядок соединения преобразователей, а следовательно, и последовательность преобразования сигналов, с другой стороны, функции преобразования, заданные в виде ста­тической характеристики, чувствительности, передаточной функ­ции и т. д. Следовательно, структурная схема может быть использо­вана как для описания или определения основных принципов по­строения приборов, так и для определения их характеристик по из­вестным характеристикам преобразователей.

В соответствии с рассмотренной в п. 3.2 классификацией прибо­ров они подразделяются на приборы прямого и уравновешивающе­го преобразования. При этом соединение звеньев (преобразователей) в схеме может быть последовательным, параллельным согласным или встречным и комбинированным. При последовательном соеди­нении звеньев (рис. 3.10, а) выходные сигналы в статическом режиме

Статическая характеристика измерительной цепи определяется как

. (3.10)

Чувствительность в этом случае будет равна произведению чувстви­тельности звеньев:

(3.11)

а передаточная функция — произведению передаточных функций:

(3.12)

При параллельном согласном соединении звеньев (рис. 3.10, б) вход­ной сигнал поступает на каждое звено, а выходной равен сумме выходных сигналов звеньев:

(3.13)

Продифференцировав (3.13) по х, получим

то есть чувствительность при этом равна сумме чувствительностей звеньев:

(3.14)

а передаточная функция — сумме передаточных функций звеньев:

(3.15)

Для параллельного встречного соединения (рис. 3.10, в) (с обрат­ной связью) выходной сигнал последовательного соединения звень­ев или прямой цепи через звено обратной связи снова подается на вход. Если знаки входной величины и сигнала совпадают, то имеет место положительная обратная связь, в противном случае — отрицательная.

До введения обратной связи, то есть , связь между вы­ходным и входным сигналами, преобразованными по Лапласу, на основании (3.12) может быть представлена как

где — передаточная функция прямой цепи.

После введения обратной связи зависимость между выходной и входной величинами будет

где — передаточная функция цепи обратной связи.

Подставив значение получим зависимость

или после преобразований — передаточную функцию измеритель­ной цепи с обратной связью:

Знак «плюс» соответствует отрицательной обратной связи, а знак «минус» — положительной.

Для определения чувствительности, продифференцировав вход­ной сигнал прямой цепи , получим

или, так как

после замены и преобразований:

(3.16)

Здесь — чувствительность прямой цепи, — чувствитель­ность цепи обратной связи. Знак «минус» соответствует положитель­ной обратной связи, а знак «плюс» — отрицательной.

Для определения характеристик измерительных цепей с комби­нированным соединением звеньев поступают следующим образом: разбивают измерительную цепь на участки, где имеется только по­следовательное и параллельное согласное или встречное соедине­ние звеньев; определяют характеристики этих участков и заменя­ют их эквивалентными звеньями; если схема снова содержит комби­нированное соединение, разбивку повторяют до тех пор, пока схема не будет приведена к одному из рассмотренных соединений; после этого определяют характеристики измерительной цепи в целом.

В измерительных цепях прямого преобразования используются последовательное и (или) параллельное согласное соединение звень­ев. Приборы с этими цепями просты, надежны, имеют малую массу и габариты. Однако погрешности таких приборов, в сравнении с приборами уравновешивающего преобразования, велики.

Примером измерительной цепи прямого преобразования с гене­раторными преобразователями может быть цепь механического ма­нометра (см. рис. 1.1) с цепочкой преобразований Цепочке соответствует структурная схема (рис. 3.11) с передаточными функциями , которые могут быть по­лучены из функциональных зависимостей (1.1).

=========================

(1.1)

==============================================

В большинстве случаев энергия чувствительного элемента не­достаточна или ее непосредственно нельзя использовать для пере­дачи сигнала и формирования выходного сигнала, например, в виде отклонения стрелки или перемещения указателя показывающе­го прибора. Поэтому в измерительную цепь включают последова­тельно или параллельно промежуточные и передающие преобразователи, выполняющие функции усиления, изменения физического рода сигнала, модуляции, демодуляции и др. Кроме того, в измери­тельную цепь могут быть включены преобразователи для повышения точности, надежности, увеличения быстродействия и др.

В качестве примеров рассмотрим две схемы измерительных це­пей прямого преобразования (рис. 3.12).

На рис. 3.12, а показана схема для измерения угловых ускоре­ний. При возникновении ускорения на тело с массой т действует сила инерции , которая сместит рычаг 1 от положения равнове­сия и через сектор 2 и трибку 3 вызовет поворот стрелки прибора. Отклонению рычага будет противодействовать сила упругости пру­жины . При равенстве инерционного и упругого моментов сил отсчитывается угол поворота стрелки указателя, пропорциональный ускорению .

Прибор для измерения температуры в общем случае (рис. 3.12,6) состоит из термопары ТП, модулятора ДА, усилителя Ус, демодуля­тора ДМ и милливольтметра. ЭДС термопары модулируется, уси­ливается и после дистанционной передачи и демодуляции подается на милливольтметр. В простейшем случае, если нет необходимости усиливать и передавать информацию по каналу, ЭДС можно пода­вать непосредственно на милливольтметр для определения зна­чения.

На рис. 3.13 приведена обобщенная схема измерительной цепи прямого преобразования, которая включает: первичный преобразо­ватель, выполняющий функции восприятия входного сигнала и формирования сигнала, удобного для дальнейших преобразований; модулятор; усилитель; демодулятор и указатель Ук или регистри­рующее устройство.

Определение статической характеристики, передаточной функ­ции, чувствительности и других характеристик приборов прямого преобразования производится в соответствии с используемыми схе­мами соединения преобразователей — параллельным согласным и последовательным — на основании зависимостей (3.10)...(3.15).

В приборах также могут быть использованы другие соединения звеньев, например: дифференциальное — выходные сигналы двух звеньев вычитаются, то есть ; логометрическое — вы­ходной сигнал равен частному и др. Однако эти соедине­ния можно рассматривать как разновидности последовательного и параллельного. Так, например, дифференциальное и логометриче­ское — это параллельное соединение двух звеньев. Разница лишь в последующей операции преобразования — вычитание и деление, а не суммирование сигналов.

Параметрические преобразователи (в основном электрические) используются в измерительных цепях в виде делителей, равновес­ных и неравновесных мостов [4, 35].

Измерительные цепи уравновешивающего преобразования.

Измерительные цепи уравновешивающего преобразования де­лятся на цепи со статическим, астатическим и развертывающим уравновешиванием.

На рис 3.14 приведена обобщенная схема измерительной цепи статического уравновешивания [2], в которой можно выделить две основные цепи: прямого преобразования К (аналогично схеме рис. 3.13) и обратной связи, представленной обратным преобразо­вателем ОП. При этом соединение звеньев является комбинирован­ным, хотя основная часть — схема с параллельным встречным со­единением.

Как следует из схемы, выходной сигнал формируется в прямой цепи К, состоящей из преобразователя неравновесия ПН, модуля­тора М, усилителя Ус и демодулятора ДМ. На вход преобразовате­ля неравновесия поступает сигнал , равный разности между вы­ходными сигналами F_x первичного преобразователя и F_oc обратной связи, то есть

Следовательно, выходной сигнал у является функцией сигнала не­равновесия , а не входного сигнала х или F_x:

. (3.17)

Обратный преобразователь предназначен, во-первых, для формиро­вания сигнала, однородного с измеряемой величиной или выход­ным сигналом ПП, во-вторых,— для уравновешивания или ком­пенсации этого сигнала. Как следует из (3.17), сигнал неравновесия в цепях статического уравновешивания должен быть отличным от нуля при .

На основании (3.16) и (3.17) чувствительность измерительной цепи уравновешивания

(3.18)

где S — чувствительность прямой цепи К; — чувствительность цепи обратной связи.

Для линейных измерительных цепей можно записать

где К — коэффициент преобразования прямой цепи; — коэффи­циент преобразования цепи обратной связи; — глубина уравно­вешивания; — относительное неравновесие; — глубина урав­новешивания (относительная).

Тогда чувствительность измерительной цепи уравновешивания определяется как

(3.19)

Следовательно, чувствительность приборов с измерительными це­пями статического уравновешивания в раз меньше в срав­нении с цепями прямого преобразования. Однако они имеют доста­точно широкий диапазон измерения, хорошее быстродействие, а погрешность в сравнении с цепями прямого преобразования умень­шается в раз [4].

Для определения передаточной функции прибора статического уравновешивания измерительную цепь разобьем на участки, со­держащие схему соединения с обратной связью, первичный преобра­зователь и указатель. После определения на основании (3.15) пере­даточной функции участка с обратной связью получим последова­тельное соединение первичного преобразователя, эквивалентного звена и указателя. Тогда на основании (3.12) передаточная функция прибора

где и — передаточные функции первичного преобра­зователя и указателя; и — передаточные функции прямой цепи К и цепи обратной связи.

Примером приборов статического уравновешивания могут быть приборы, в которых реализуется силовая компенсация. На рис. 3.15 приведена схема измерительной цепи манометра со ста­тическим уравновешиванием. Давление р вызывает деформацию сильфона 1, под действием которой рычаг 2 отклонится от состояния равновесия. Отклонение в трансформаторном преобразователе пре­образуется в электрический сигнал, который после усиления и выпрямления в усилителе Ус поступает на указатель Ук и обмотки магнитоэлектрического преобразователя 3, связанного с рычагом 2. Магнитоэлектрический преобразователь в результате взаимодей­ствия тока в обмотках с полем постоянного магнита создает си­лу, уравновешивающую силу, развиваемую сильфоном, и, таким об­разом, препятствует перемещению рычага. При этом чем больше измеряемое давление, тем больше ток 1_вых и развиваемое усилие. Таким образом, с точностью до статической погрешности рычаг бу­дет удерживаться в среднем положении, а ток в обмотках пре­образователя и показания прибора будут пропорциональны изме­ряемому давлению.

Отличительной особенностью измерительных цепей астатиче­ского уравновешивания (рис. 3.16) является наличие в прямой цепи интегрирующего устройства ИУ. При этом в статическом режиме (х = const) без учета погрешностей достигается полное уравнове­шивание, то есть или .

В качестве ИУ обычно используются электродвигатели, облада­ющие достаточной мощностью для цепей регистрации информации, регулирования, управления и др. Возможно использование и дру­гих ИУ, интегрирующих цепей, интегрирующих усилителей, счет­чиков дискретных величин и др. При этом ИУ в измерительной цепи можно трактовать как элемент памяти. Действительно, если в ка­честве ИУ используется электродвигатель, то при обработке рас­согласования его ось повернется на угол , пропорциональный х. Но как только наступит равновесие , двигатель становится, а состояние равновесия останется (запомнится) до тех пор, пока не изменятся или .

Определение передаточной функции прибора с астатическим уравновешиванием может быть выполнено аналогично случаю ста­тического уравновешивания. При этом, согласно рис. 3.16, в прямой цепи дополнительно включено интегрирующее устройство, выходной сигнал которого непосредственно является выходной величи­ной у. Тогда передаточная функция примет вид

где ,— передаточные функции первичного преобра­зователя и цепи обратной связи; , — передаточные функции интегрирующего устройства и прямой цепи К.

Статическая характеристика измерительной цепи без учета по­грешностей определяется из условия при х = const:

.

Так как то

(3.22)

где — коэффициенты преобразования первичного преобразо­вателя и цепи обратной связи.

На основании статической характеристики чувствительность прибора

(3.23)

где — чувствительность первичного преобразователя и це­пи обратной связи.

Чувствительность прибора может быть определена также из пе­редаточной функции. Если положить, что , то

В статическом режиме х = const или р = О

Примером прибора с астатическим уравновешиванием является манометр (рис. 3.17). В качестве интегрирующего устройства, как видно из рисунка, используется двигатель М, который работает до тех пор, пока есть рассогласование между сигналами индуктивных датчиков 1 и 2. Якорь датчика 1 перемещается в результате дефор­мации манометрической коробки, воспринимающей давление р. Якорь датчика 2 перемещается при повороте кулачка 3, находяще­гося на одной оси с двигателем. Угол поворота оси двигателя также является и выходным сигналом, который регистрирует указатель. В качестве устройств сравнения сигналов F_ox, и F_x (см. рис. 3.16) могут использоваться делители тока и напряжения, мостовые схе­мы, механические рычаги, дифференциалы, дифференциальные схе­мы, как это имеет место для манометра (рис. 3.17), и др.

Основными достоинствами измерительных цепей астатического уравновешивания являются возможность прямого отсчета показа­ний по сигналу ИУ и значительная выходная мощность, например на валу двигателя, достаточная для записи сигнала в любом регист­рирующем устройстве или системе.

К основным недостаткам относятся: малый диапазон измерений, малое быстродействие (в случае использования двигателя), возмож­ность появления автоколебаний и потери устойчивости при увели­чении глубины астатического уравновешивания. Для устранения автоколебаний используются цепи развертывающего уравновеши­вания.

Отличительной особенностью аналоговых приборов развертыва­ющего уравновешивания [4, 12], или динамической компенсации, являются периодический характер уравновешивания и дискрет­ность представления результата измерения. На рис. 3.18 представ­лена структурная схема измерительной цепи развертывающего уравновешивания, которая состоит из первичного преобразовате­ля ПП, прямой цепи К, обратного преобразователя ОП, генератора выходного сигнала Г_у, реле (ключа) Р и регистрирующего устрой­ства РУ.

Генератор, которым может быть двигатель, за один период (цикл) измерения по определенной программе формирует все возможные значения у(t)• Этот сигнал поступает на реле, а также че­рез обратный преобразователь на устройство сравнения. Сигнал рассогласования поступает в прямую цепь, где преобразователь неравновесия ПН, усилитель Ус и формирователь Ф вырабатывают сигнал для замыкания реле только в момент времени, когда или Следовательно, прямая цепь выполняет в дан­ном случае функции нуль-органа, а не формирования сигнала, пропорционального , как это имело место в измерительных це­пях статического или астатического уравновешивания. При этом значение сигнала у (х) регистрируется дискретно — один раз за период.

В приборах развертывающего уравновешивания, ввиду отсут­ствия замкнутой цепи, исключена возможность возникновения ав­токолебаний, их параметры не ограничиваются условиями обеспе­чения устойчивости.

3.5. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ

ГСП создана с целью экономически и технологически целесооб­разного решения проблемы обеспечения техническими средствами систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами, научных исследований и других отраслей народного хозяйства.

Согласно ГОСТ 12997—84, Государственная система промышлен­ных приборов и средств автоматизации (ГСП) представляет собой совокупность изделий, предназначенных для получения, обработки и использования информации, обеспечивающих информационное (метрологическое и функциональное), энергетическое и конструк­тивное сопряжение изделий и автоматизированных систем, а также экономически целесообразную точность, надежность и долговеч­ность.

По функциональному признаку изделия ГСП [38] подразделя­ются на устройства для:

получения информации о состоянии процесса; приема и выдачи информации в каналы связи; преобразования, хранения и обработки информации; использования информации в целях воздействия на процессы и связи с оператором;

выполнения нескольких функций, перечисленных выше. Каждая из групп устройств, в свою очередь, делится на ряд дат­чиков, изделий или устройств. Так, устройства для получения информации о состоянии процесса делятся на измерительные и релей­ные датчики: температуры, давления, разности давлений и разре­жения; мгновенного и суммарного расхода твердых, жидких и га­зообразных веществ; массы и силы; уровня жидких и сыпучих ве­ществ; состава и свойств газов, жидкостей, твердых и сыпучих ве­ществ; электрических и магнитных величин; величин ионизирующих излучений; механических перемещений, а также устройства формирования оператором нормированной информации.

Дальнейшим развитием ГСП является создание агрегатированных комплексов, в состав которых входят комплексы широкого и специализированного назначения.

Комплексы широкого назначения: АСПИ — средств сбора и первичной обработки информации; АСКР — средств контроля и регулирования; АСЭТ — средств электроизмерительной техники; АССТ — средств систем телемеханики; АСВТ — средств вычислительной техники; АСПУ — средств программного управления;

КТС ЛИУС — комплекс технических средств для локальных ин­формационно-управляющих систем.

Специализированные комплексы: АСАТ — средств аналитической техники; АСНК — средств неразрушающего контроля; АСХТ — средств хронометрической техники; АСИГ1 — испытания материалов и конструкций на прочность; АСГТ — средств геофизической техники; АСОТ — средств организационной техники; АКДИ — дозаторов непрерывного действия; АКТУ — тахометрических устройств; АПИР — пирометров излучения радиационных; АСИВ — средств измерения вибраций.

Технические требования к изделиям ГСП закреплены в комплек­се государственных и отраслевых стандартов, в который входят об­щие стандарты, распространяющиеся на все виды изделий ГСП, и групповые, охватывающие отдельные виды изделий.

Начиная с 70-х годов, практически все вновь разрабатываемые технические средства реализуются в рамках унифицированных агрегатированных комплексов, использующих системотехнические ос­новы и принципы построения ГСП (АСВТ, АПИР, АСЭТ и др.).

В настоящее время в составе ГСП выпускается более 2000 типов промышленных приборов и средств автоматизации, в том числе для измерения механических величин более 230 типов.

Разработанный в 70-х годах Институтом проблем управления АН СССР кадастр величин и параметров, подлежащих измерению, включает более 2000 наименований, в том числе механические и теп­ловые величины: массу, плотность, удельный объем, силу, момент, давление, вакуум, энергию, мощность, вязкость, расход (объемный), расход массовый, температуру, количество теплоты, теплоемкость, удельную теплоемкость, коэффициент теплоотдачи, тепловой поток, теплопроводность, коэффициент теплопроводности, температурный коэффициент, тепловое сопротивление.