7.3. Измерительные (нормирующие) преобразователи

Измерительный преобразователь преобразует нестандартный (естественный) маломощный сигнал от датчиков в унифицированный электрический или пневматический сигнал для связи с устройствами регулирования, индикации, регистрации и с системами централизованного сбора данных (см. рис. 7.1).

Измерительный преобразователь является частью измеритель­ной системы, предназначенной для формирования сигнала, несущего информацию о состоянии объекта в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный преобразователь с высокой точностью реа­лизует однозначную зависимость между двумя физическими величинами и U= f(x), где х=x(t) и u=u(t) — сигналы на входе и выходе измерительного преобразователя.

Принципы построения измерительных преобразователей могут быть классифицированы по следующим свойствам:

— их структурной организации;

— характеру преобразования входного;

— типу интерфейса для включения измерительного преобразо­вателя в систему управления;

— технологии изготовления функциональных элементов преоб­разователей и их конструктивному исполнению.

Структуры измерительных преобразователей могут быть пост­роены в виде каскадного или последовательного, дифференциаль­ного логометрического и компенсационного соединений.

При каскадном соединении передаточная функция линейного измерительного преобразователя равна произведению передаточ­ных функций его звеньев. Если характеристика чувствительного элемента существенно нелинейна, то последовательное ее соеди­нение с корректирующим элементом, имеющим обратную нелиней­ную зависимость, может быть использовано для получения общей линейной характеристики.

При дифференциальном соединении звеньев измерительный преобразователь содержит две последовательные однотипные цепи, выходные сигналы которых вычитаются. Эти сигналы x_v х₂ могут быть оба контролируемыми величинами либо один—контролируе­мой величиной, а другой — ее заданным значением.

При логометрическом соединении выходная величина датчика пропорциональна отношению двух величин, одна из которых (или обе) зависит от входного измеряемого сигнала. Часто для реализа­ции операции деления в цепи измерительного преобразователя вво­дят логарифмирующие усилители с последующим вычитанием их выходных сигналов. Логометрические преобразователи получили широкое распространение для измерения оптической плотности оттисков при регулировании подачи краски.

Компенсационное соединение звеньев позволяет получить изме­рительную систему, построенную по принципу отрицательной об­ратной связи с преимуществами замкнутых систем. По этому прин­ципу строятся автоматические мосты и потенциометры, предназ­наченные для измерения температуры.

В зависимости от вида сигнала на входе измерительные преоб­разователи разделяются на три группы.

1. Преобразователи, имеющие на входе и выходе одинаковые физические величины, например делители напряжения, измери­тельные трансформаторы.

2. Преобразователи, имеющие на входе и выходе различные физические величины. К ним относятся измерительные преобра­зователи неэлектрических величин — давления, температуры, рас­хода, влажности и т. п.

3. Преобразователи структуры сигнала: аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, преобразователи кода, преоб­разователи напряжения в частоту и т. п.

Наиболее широко применяются измерительные преобразовате­ли второй группы, позволяющие получить информацию о ходе тех­нологических процессов в металлургии, нефтехимии, в станкост­роении, производстве оптических сред, пластмасс и т. д.

В измерительных преобразователях вырабатываются как внут­рисистемные информационные сигналы для связи с устройствами центральной части ГСП (регуляторами, УВМ, задатчиками, функ­циональными устройствами) и датчиками, так и дистанционные — для связи с периферийными устройствами КТСАСУТП. Для внут­рисистемных связей наиболее распространены сигналы напряже­ния постоянного тока (аналоговый выход) и логический выход для соединения с УВМ (цифровой выход). В качестве дистанционных сигналов связи (до 300 м) применяются, как правило, сигналы по­стоянного тока: 4-20,0-20, 0-5, 0-10, 1-50, 10-50 мА. В систе­мах сбора информации и управления с территориально распреде­ленными объектами унифицированные сигналы постоянного тока обычно преобразуются в неизбыточный код (с последующей его подготовкой для передачи по линии связи в конечный пункт к уп­равляющему контроллеру).

Соединение измерительных преобразователей с управляющи­ми устройствами осуществляется посредством двух-, четырех- и реже трехпроводных линий связи. Введение международных стан­дартов на сигнал связи постоянного тока 4—20 мА позволило пе­рейти на двухпроводную связь, обеспечивающую минимальный расход проводов для линий связи (путем совмещения цепи питания с цепью передачи сигналов), возможность контроля обрыва линий связи по току смещения, искробезопасность, монтаж непосред­ственно в рабочей зоне.

Принцип работы двухпроводных измерительных преобразова­телей поясняет рис. 7.3. Двухпроводный измерительный преобра­зователь питается от источника постоянного тока 1 напряжением 24/48 В, преобразует входной сигнал от датчика 2 в сигнал постоян­ного тока 4 — 20 мА, идущий в пункт управления. Если сигналы сизмерительного преобразователя должны поступать на цифровой вход, то в пункте управления сигналы 4 — 20 мА преобразуются в устройстве 3, где в выходном каскаде имеется гасящий резистор для преобразования аналогового сигнала тока 4—20 мА в сигнал напря­жения 1 — 5 В, который затем поступает в АЦП 4

Рис. 7.3. Схема двухпроводного измерительного преобразователя

В некоторых системах контроля и регулирования при автома­тизации территориально распределенных объектов (с длиной ли­ний связи более 3 км) с большим числом датчиков система переда­чи данных с помощью сигналов 4 — 20 мА по двухпроводной схеме становится дорогостоящей и заменяется схемой с параллельным соединением.

При параллельном соединении устройств используются группо­вой общий источник питания и групповой приборный усилитель маломощных сигналов напряжения (до 100 мВ) до унифицирован­ных аналоговых сигналов напряжения.

Использование измерительных преобразователей в распреде­ленных системах управления приводит к необходимости включе­ния в состав преобразователей интерфейсного узла с подключени­ем к коаксиальному или волоконно-оптическому кабелю.

Элементная база современных аналоговых измерительных пре­образователей использует два типа технологии производства фун­кциональных элементов: полупроводниковой и технологии изготов­ления интегральных микросхем. Схемотехнические решения пре­образователей на такой элементной базе обеспечивают:

— гальваническую развязку входных электрических цепей;

— помехозащищенность входных контуров;

— независимость выходного тока от сопротивления нагрузки измерительного преобразователя;

— сдвиг нуля выходного сигнала (выход 4 — 20 мА) при проведе­нии диагностики линии связи с датчиками.

Наряду с традиционными аналоговыми измерительными преоб­разователями в последние годы наметилась тенденция к созданию микропроцессорных измерительных преобразователей. Это позво­ляет использовать цифровые датчики с микропроцессорными изме­рительными преобразователями, входные схемы которых выполне­ны на сменных платах с нанесенными на них интегральными схема­ми (называемых «чипами»). Для каждого типа датчика подбирается определенный чип без перестройки схемы самого преобразователя. В современных системах распределенного управления функция каж­дого входного модуля преобразователя определяется микроЭВМ. Функция и параметры настройки каждого модуля заложены в про­грамму ее работы. Таким образом, можно настроить измерительный преобразователь на работу с различными датчиками. С другой сто­роны, микропроцессорные измерительные преобразователи, как отмечалось выше, снабженные интерфейсным узлом, легко включа­ются в микропроцессорные локальные вычислительные сети.

Конструктивное исполнение измерительных преобразователей аналоговых систем контроля и регулирования обычно отвечает об­щему принципу построения того комплекса приборов, в который они входят. В зависимости от числа точек измерения монтаж изме­рительных преобразователей может быть индивидуальным (моно­блочное исполнение) и групповым (мультиблочное исполнение). В первом случае преобразователи выполняются в виде блоков или модулей в закрытых корпусах. При более перспективном группо­вом монтаже модули стандартных габаритов размещаются в шка­фах вместе с другими функциональными устройствами локальной автоматики.

115