Лекция 1. Введение. Основные понятия устройств автоматики. Магнитные материалы в электромашинных и электромагнитных устройствах автоматики

Автоматизацией производственного процесса называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические опе­рации осуществляются автоматически с помощью специальных тех­нических устройств без непосредственного участия человека. Авто­матизация технологического производства предполагает автомати­ческий контроль технологических параметров, автоматическое регулирование и автоматическое или автомати­зированное управление, а также защиту процессов от аварийных режимов, сигнализацию отклонений от номинальных режимов, за­щиту окружающей среды.

Если процесс управления осуществляется без участия человека, то такое управление называется автоматическим, а если с участием человека то такое управление называют автоматизированным.

Для автоматического контроля, регулирования и управления не­обходимо располагать определенной информацией о состоянии объ­екта автоматизации. Эту информацию получают путем проведения измерений. При решении вопросов автоматического контроля, регулирования и управления используются: системы автоматического контроля (САК); автоматические системы регулирования (АСР) и автоматизированные системы управления технологическими процес­сами (АСУ ТП).

На рис. 1, а показана схема системы автоматического контро­ля некоторого объекта автоматизации ОА (в данном случае объект автоматизации называют объектом контроля).

Оператор

Рис. 1. Схемы систем автоматического контроля (а) и автоматического peгулирования (б)

Схема, как правило, включает в свой состав по меньшей мере два измерительных устpoйства, соединенных между собой каналом связи.

Одно из этих измерительных устройств воспринимает измеряе­мый параметр X_вых объекта автоматизации; его называют датчи­ком Д (или первичным измерительным преобразователем). Датчик служит для преобразования физического параметра в другой па­раметр—сигнал (например, электрический ток, давление сжатого воздуха и т. д.), который удобно передавать по каналу связи КС. Другое устройство, называемое вторичным прибором ВП, измеряет сигнал, поступающий по каналу связи и несущий информацию о значении измеряемого параметра, а затем представляет его в фор­ме, удобной для восприятия человеком-оператором.

На рис. 1, б показана схема автоматической системы регулирования. Необходимость регулирования, как регулирования ручного, так и автоматического, вызвана тем, что на объект автоматизации (в данном случае его называют объектом регулирования) постоянно действу­ют различные дестабилизирующие факторы, нарушающие однозначность связи между входным Х_вх и выходным X_вых параметрами объекта. Эти факторы называют возмущающими воздействиями ВВ. Под влиянием ВВ выходной параметр Х_вых отклоняется от заданного значения (нормы). Датчик Д измеряет текущее значение параметра Х_внх и преобразует его в сигнал У, который поступает на вторичный прибор ВП и специализированное вычислительное устройство, называемое автоматическим регулятором АР. В авто­матический регулятор кроме сигнала У поступает сигнал У_зд (за­дание), который пропорционален заданному значению регулируе­мого параметра Х_ВЬ]Х и имеет такую же природу, как сигнал У. Ав­томатический регулятор выполняет определенные вычислительные операции в соответствии с заложенным в него законом регулирова­ния и отрабатывает сигнал Z — регулирующее воздействие, поступающий к исполнительному механизму ИМ. Последний изменяет подачу Х_вх материи или энергии в объект регулирования до тех пор пока параметр Х_вых не достигнет заданного значения.

Кроме рассмотренной простейшей автоматической системы регулирования применяются каскадные, комбинированные, автоном­ные, программные и др. Работа этих систем строится на информа­ции, получаемой от одной или нескольких систем автоматического контроля.

Функции управления производственным процессом в системах автоматической стабилизации или программного регулирования параметров выполнял человек-оператор, который в основном руковод­ствовался своим субъективным опытом.

Развитие полупроводниковой вычислительной техники сделало возможной автоматизацию управления путем применения электрон­ных вычислительных машин (ЭВМ) и микропроцессоров (МП) не­посредственно в технологических процессах. Это ознаменовало но­вый этап развития автоматизации, характерной чертой которого для непрерывных технологических процессов явился переход к их оптимальному управлению.

Схема АСУ ТП с УВМ показана на рис.2, а. В объект авто­матизации ОА, в данном случае представляющий собой химико-тех­нологический процесс или ряд технологических процессов, составляющих целое производство, поступают сырье и реагенты, необхо­димые для проведения процесса (входные параметры объекта), В результате получается ряд продуктов. На объект автоматизации (в данном случае его называют объектом управления) непрерывно оказывают влияние возмущающие воздействия ВВ.

С помощью датчиков Д измеряют режимные параметры и параметры, опреде-ляющие качество продуктов (выходные параметры объекта), а также значения входных параметров объекта управления. Информа­ция о результатах этих измерений по каналам связи КС поступает во вторичные приборы ВП и автоматические регуляторы АР. Последние вырабатывают регулирующие воздействия, поступающие на исполнительный механизм ИМ, которые изменяют подачу энер­гии или материального потока (управляющие воздействия) в соот­ветствующие аппараты объекта управления. Задание регуляторам устанавливается с помощью задатчиков 3д. Таким образом, все названные устройства осуществляют автоматический контроль или наряду с ним и автоматическое регулирование режимных парамет­ров объекта управления.

Как видно из рис. 2, а, сигналы датчиков одновременно по­ступают на УВМ.

Управление любым промышленным объектом обычно сводится, с одной стороны, к контролю за ходом технологического процесса, пуску и остановке различных агрегатов, обеспечению надежной и безаварийной работы оборудования и т.п. и с другой стороны обеспечению требуемых параметров, определяющих требуемый ход технологического процесса в управляемом объекте. Под управляемым объектом подразумевается устройство (совокупность устройств), осуществляющее технологический процесс, который нуждается в специально организованных воздействиях извне. Эти воздействия оказывает управляющее устройство. Управляющее воздействие на объект управления выполняет исполнительный механизм ИМ, который воздействует на управляемый объект через регулирующий орган РО. Управляемая величина измеряется измерительным устройством ИУ.

Таким образом, к элементам и устройствам автоматики можно отнести: исполнительный механизм ИМ; регулирующий орган РО; измерительное устройство ИУ: усилители сигналов; различные реле и механизмы, обеспечивающие автоматическое изменение каких либо величин (параметров) с целью обеспечения заданного режима работы объекта.

Лекция 2. Преобразователи давления

1. Понятие преобразователя

Преобразователь (чувствительный элемент) - устройство, которое преобразует изменения входной величины в соответствующий выходной сигнал, удобный для дальнейщего использования, и служит воспринимающим органом (входной частью) ряда элементов (датчиков с промежуточным преобразованием, аналого-цифровых преобразователей и т.п.).

Преобразователи, реагируя на изменения входной величины, как правило, преобразуют её в величину другой физической природы, удобную для дистанционной передачи и дальнейшей обработки. Поэтому некоторые преобразователи можно отнести к простейшим датчикам (датчикам с непосредственным преобразованием).

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления.

Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x(t) в выходной сигнал y(t):

y(t) = F[x(t)], (1)

где x(t) и y(t) - векторные величины; F(x) - требуемая функция преобразования. На выражение (1) можно смотреть на информационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входной информации в выходную.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Электрические преобразователи по принципу действия подразделяются на параметрические и генераторные.

В параметрических преобразователях входные величины (обычно неэлектрические) преобразуятся в выходные параметры электрических цепей.

В генератоных преобразователях осуществляется непосредственное преобразование энергии входной величины в энергию электрического выходного сигнала.

Неэлектрические чувствительные элементы преобразуют неэлектрическую входную величину в неэлектрическую выходную величину, например, в усилие или перемещение. Такие преобразователи служат для визуальных отсчетов входной величины, а также для сочленения с преобразователями неэлектрических величин в электрический сигнал.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

 В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа. 

Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p:

R= pl/S

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного    давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.

Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д.

К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I_н = f(х), где I_н - ток в нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U_вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U_вых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра.

Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для изме­рения механических напряжений, небольших деформаций, вибра­ции. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов, под воздействием приложенных к ним усилий.

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e₀eS/h

где e₀ - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.