12.6 Датчики тока и напряжения

Датчики тока и напряжения выполняются аналоговыми и цифровыми. На рисунке 44 даны структуры аналоговых (а) и цифровых (б) датчиков тока и напряжения.

а)

б)

Рисунок 45 – Датчики напряжения (ДН) и тока (ДТ) аналоговые (а) и цифровые (б)

На рисунке 45: ВЦ – вводная цепь; ПР – потенциальный разделитель; ВыхY – вых. усилитель; M – модулятор; ДМ – демодулятор; ГТИ – генератор импульсов; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; N_вых – цифровой выход сигнала.

Собственно датчиком является вводная цепь (ВЦ), которая может быть в виде делителя напряжения, шунта, трансформаторов напряжения или тока с выпрямителем.

Характеристики управления для аналоговых датчиков:

, (51)

, (52)

где = U_вх/U; = U_вх/I; k_пр = U_дт/U_вх; k_ув = U_вых/U_дт. – передаточные коэффициенты вводных цепей ДН и ДТ.

Характеристики управления для цифровых датчиков:

, (53)

, (54)

где k_у – коэффициент усиления входного усилителя; k_АЦП – передаточный коэффициент аналого-цифрового преобразователя.

Современные датчики тока и напряжения предлагают концерны АВВ и фирма LEM. Основой для датчиков является эффект Холла.

12.7 Электродные датчики уровня

Электродные датчики уровня удобны, если среда, уровень которой измеряется, обладает проводимостью. Для организации такого датчика используется один электрод под названием базовый, который располагается на самом низком измеряемом уровне, и электроды уровня, которые располагаются на уровнях выше базового электрода.

Рисунок 46 – Базовый электрод Э₀ и электрод уровня Э₁ в электродном датчике уровня

При погружении любого электрода уровня в проводящую ток жидкость появляется соответствующая оперативная цепь питания реле уровня KL, которае фиксирует данный уровень и передает сигнал в исполнительную цепь.

13. Логические элементы

Логический элемент – элемент дискретного действия, выполняющий преобразование управляющего сигнала в соответствии с законами алгебры логики. В конструктивном отношении различают два типа логических элементов: контактные реле и бесконтактные элементы.

Контактное реле как логический элемент обладает рядом достоинств и недостатков. К достоинствам можно отнести отсутствие гальванической связи между входом и выходом, возможность коммутировать одновременно несколько цепей с довольно значительными токами. Недостатки – наличие электромагнитной и механической инерционности и меньшая по отношению к бесконтактным устройствам надежность. Область применения – входные и выходные разделительные и коммутирующие устройства, ограниченное количество переключений в единицу времени.

Бесконтактные элементы надежны и имеют высокое быстродействие, но схемы устройств усложняются за счет гальванических развязок. Они незаменимы в современных системах автоматики с большим объемом логических операций на коротком интервале времени. Логические элементы могут быть выполнены на бесконтактных магнитных реле на базе магнитных усилителей с самонасыщением и частотой питания 400 Гц (серия МР), магнитных элементов с частотой питания 50 Гц (серия М) или с частотой питания 400 Гц (серия МК), транзисторных элементов серии Т, в виде интегральных микросхем и микромодулей. Время переключения бесконтактных логических элементов составляет менее 1 мкс.

Логические устройства можно разделить на два класса: однотактные или устройства без памяти и многотактные или последовательные. Выходные сигналы однотактных устройств в данный момент времени определяются входными сигналами в тот же момент времени. Выходные сигналы многотактных устройств зависят не только от входных сигналов, но и от внутренних состояний элементов систем. Последние определяются состояниями элементов памяти, входящими в многотактные устройства.

Работа однотактных устройств может быть полностью описана математическим аппаратом алгебры логики. Алгебра логики рассматривает класс событий и оперирует с двоичными переменными. Появление события обозначается единицей, отсутствие нулем. В релейно-контакторной технике единица соответствует понятию замкнутого, а ноль – разомкнутого контактов.

Взаимосвязь логических переменных определяет логическую функцию y = f (x), в которой и функция и аргумент принимает только два значения (1 и 0). Поэтому число возможных логических функций всегда конечно и равно N :

N = 2 ^m, (55)

где m = 2 ⁿ – число наборов независимых переменных,

n – число независимых переменных.

Так при п = 2, т.е. y = f ( x₁ , x₂ ) и m = 4 cуществует всего 16 логических функций (N = 16), из которых следует выделить 6 типовых функций:

y_I = x₁ + x₂ = x₁ x₂ , (56)

где у_I - дизъюнкция или логическое сложение или функция «ИЛИ»”;

+,  - знаки логического сложения;

y_II = x₁  x₂ = x₁^ x₂ , (57)

где y_II – конъюнкция или логическое умножение ,или функция «И»;

“ ^. ” ^ - знаки логического умножения;

y _III = x₁ + x₂ , (58)

где y_III – функция «ИЛИ – НЕ» или операция Пирса, черта над переменными x₁ , x₂ определяет операцию отрицания «НЕ» или инверсию события;

y_IV = x₁  x₂ , (59)

где y_IV - функция «И – НЕ» или операция Шеффера;

y_V= x₁  x₂ + x₁  x₂ , (60)

где у_V - функция «равнозначности» или «эквивалентности»

y_VI = x₁  x₂ + x₁  x₂ , (61)

где y_VI – функция «неравнозначность» или «альтернатива».

Наиболее употребимой формой представления логической функции является таблица истинности. Например, для функции «ИЛИ» таблица истинности имеет вид таблицы 1.

Таблица 1 – Таблица истинности

Номер набора	Набор переменных		Функция «ИЛИ»
m	x1	х2	yI
1	0	0	0
2	1	0	1
3	0	1	1
4	1	1	1

Рассмотрим основные тождества, законы и теоремы алгебры логики.

1. Сумма величины и ее инверсии всегда равна единице

x + x = 1. (62)

2. Произведение величины на ее инверсию всегда равно нулю

x  x = 0. (63)

3. Сумма величины и единицы всегда равна единице

x + 1 = 1. (64)

4. Произведение величины на единицу всегда равно этой величине

x  1 = x. (65)

5. Двойная операция инверсии величины дает эту величину

x = x. (66)

Для алгебры логики справедливы преобразования:

x ₁ ( x₂ + x₃ ) = x₁  x₂ + x₁  x₃ ,

x₁ + x₂ = x₂ + x₁ ,

( x₁ + x₂ ) + x₃ = x₁ + ( x₂ + x₃ ) , (67)

(x₁  x₂ )  x₃ = x₁  ( x₂  x₃ ) ,

x₁  ( x₁ + x₂ ) = x₁ ,

( x₁ + x₂ )  ( x₁ + x₂ ) = x₁

При преобразовании логических выражений часто используют теоремы Моргана:

1. Если инвертируется сумма двух или нескольких переменных, то знак инверсии переносится на каждую переменную, а сложение заменяется произведением

x₁ + x₂ + …. + x_n = x₁  x₂  .…  x_n . (68)

2. Если инвертируется произведение двух или нескольких переменных, то знак инверсии переносится на каждую переменную, а произведение заменяется суммой

x₁  x₂  ….  x_n = x₁ + x₂ + ... + x_n . (69)

Тождества, законы и теоремы алгебры логики проверяются путем подстановки вместо соответствующих переменных их значений, т. е. «0» или «1».

Таким образом, основными операциями с логическими переменными являются дизъюнкция, конъюнкция и инверсия. Условное изображение некоторых типовых логических элементов приведено в таблице 2.

Таблица 2 – Изображение логических элементов

Логическая функция	Графическое изображение элемента	Тип элемента в системе “логика-Т”
1 1. «НЕ»	x	Т – 101
& 2. «И»	x1 x2	T – 107
1 3. «ИЛИ»	x1 x2	Т – 106
& 4. «И – НЕ»	x1 y = x2	_
1 5. «ИЛИ – НЕ»	x1 y = x2	Т – 101
S T R 6. RS - триггер ( память )	x1 y x2	Т – 102 Т – 103
1 7. Задержка	x1 у x2	Т – 302 Т – 303 (1,0…10с) Т – 304 (9,0…100с)
1 8.Усилитель выходной	x y	Т – 402 (3 Вт) Т – 403 (10 Вт) Т – 404 (30 Вт) Т – 405 (100 Вт)

Продолжение таблицы 2

Логическая функция	Графическое изображение элемента	Тип элемента в системе «логика-Т»
9. Согласующий элемент	1 220V	Т – 201
1 10. Усилитель согласования	X y 220 V	Т – 401 (40мА, 12V)
11. «Равнозначность»	x1 = y=x1 x2 x2	_
12. «Неравнозначность»	x1 y=x1 x2 x2	_