книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

В реальных устройствах нельзя получить звено с передаточной функцией (IV. 10). Это объясняется тем, что в реальных измери­ тельных системах имеют место паразитные электрические эле­ менты, влияние которых на переходный процесс скомпенсировать полностью не представляется возможным. Кроме того, теплофизические свойства измерительной среды, а отсюда и передаточная функция нам известны лишь приблизительно.

По этой причине корректированная измерительная система (корректирующее устройство и первичный преобразователь) имеет ограниченный спектр частот, по отношению к которому систему можно считать прозрачной для контролируемого процесса. Не­ смотря на это и учитывая тот факт, что реальные процессы имеют ограниченную скорость изменения во времени, всегда можно до­ биться удовлетворительной коррекции. Основные трудности воз­ никают при учете возможного разброса значений физических и геометрических параметров преобразователя на выбираемые пара­ метры корректирующего устройства, а отсюда и на эффективную полосу частот измерительного тракта.

Все устройства коррекции можно разделить на две группы в зависимости от их способности приспосабливаться к изменениям динамических характеристик преобразователей: 1) устройства без адаптации; 2) устройства с адаптацией или самонастраиваю­ щиеся. В зависимости от способа включения корректирующих звеньев в измерительную систему различают следующие методы компенсации без адаптации: последовательное соединение кор­ ректирующего звена, термоприемника и регистрирующего при­ бора; параллельное соединение обычного и скорректированного термоприемников; соединение в виде замкнутой системы следя­ щего уравновешивания; включение корректирующего звена в цепь обратной связи измерительного прибора типа электронного по­ тенциометра (со следящей системой).

При реализации каждого из перечисленных методов можно применять два типа динамических звеньев — пассивные и актив­ ные. К пассивным динамическим звеньям относятся простейшие четырехполюсники, состоящие из электрических элементов типа R, С и L и не содержащие источников энергии. Активные корректи­ рующие звенья выполняются на базе решающих усилителей.

тивные.

Пассивные звенья обладают двумя существенными недостат­ ками: 1) зависимостью коэффициента коррекции от величины предварительного усиления; 2) необходимостью в специальных дополнительных звеньях для согласования с регистрирующим прибором из-за больших емкостей и сопротивлений.

180

При воздействии перепада входного напряжения UBX на вы­ ходе также произойдет скачок напряжения такой же величины. Это объясняется тем, что в перйый момент конденсатор еще не заряжен и напряжение на нем равно нулю. Поэтому все действую­ щее на входе напряжение оказывается приложенным к участку цепи, включенному последовательно с тем участком, который содержит емкость, т. е. к сопротивлению R2. По мере заряда кон­ денсатора напряжение на нем растет и соответственно падает

•х

Рис. 111. Пассивное форсирующее звено (а) и переходный процесс (б)

напряжение на R2. По окончании заряда конденсатора выходное напряжение будет определяться соотношением величин сопро­ тивлений R1 и R2.

Звено быстрого реагирования может быть представлено (рис. 111) как последовательное соединение трех звеньев: про­ порционального, форсирующего и инерционного.

Рис. 112. Интегро-дифференцирующие звенья (а) и переходный процесс (б)

Интегро-дифференцирующие звенья (рис. 112) представляют собой комбинацию звеньев быстрого и медленного реагирования. Из рис. 112 следует, что соотношения параметров контура должны быть следующими:

На низких частотах сопротивление небольшой емкости очень велико и контур превращается в звено медленного реагирования. По отношению к высоким частотам сопротивление емкости С2 мало, что равносильно короткому ее замыканию. Контур при этом превращается в звено быстрого реагирования.

182

Передаточная функция контура имеет вид

Постоянные времени форсирующих звеньев являются величи­ нами примерно одного порядка и равны 7\ — RiCx и Т2 = R2C2.

Постоянные времени инерционных звеньев Т3 и Tt представ­ ляют собой сравнительно сложные функции параметров цепи. Если выполнены соотношения (IV. 14), то имеют место приближен­ ные равенства:

Т3 R\C2 и Ti R2СI-

Одна из этих постоянных времени значительно больше, а другая значительно меньше, чем постоянные времени форсирующих звеньев. Сопротивление R (рис. 112, а) включается для ослабле­ ния быстро изменяющихся сигналов, которые беспрепятственно проходят через конденсатор С/.

Интегро-дифференцирующее звено можно представить как последовательное соединение четырех звеньев: двух форсирую­

препятствующих этому. Во-первых, операционные усилители работают нормально только при входных сопротивлениях порядка 7—10 В, а во-вторых, для снижения уровня шумов в схему дол­ жен быть включен дополнительный конденсатор.

Схема активного корректирующего звена с предварительным усилителем / и дополнительным конденсатором С2дана на рис. 114.

Дополнительная емкость С2, охватывающая усилитель 2, позволяет снизить уровень шумов, однако это сужает полосу

183

динамической ошибок, и наличие шумов оперативного усили­ теля.

Для уменьшения собственных шумов усилителя и уменьшения емкостей предложена другая схема активного корректирующего звена (см. рис. 120). В этом звене сигнал после измерительного

усилителя направляется по двум каналам. В одном канале про­

с катодным (или эмиттерным) повторителем. Особенностью катод­ ного повторителя является высокое входное и низкое выходное сопротивление. Благодаря таким свойствам катодного повтори­ теля он обеспечивает согласование модели с выходом операцион­ ного усилителя и независимость коэффициента обратной связи

184

от изменения величины сопротивления R4 при перестройке на

передаточную функцию корректирующего звена можно предста­

скоэффициентом усиле­

ния порядка 200. Данное звено позволяет изменением величины сопротивления R4 корректировать динамические погрешности термоприемников с эквивалентными постоянными времени от 6 до 800 с. Снижение уровня шумов при коррекции больших по­

Для термопреобразователей с большими значениями постоян­ ных времени (свыше 800 с) применение рассмотренной схемы кор­ ректирующего звена затруднительно из-за больших значений емкостей и сопротивлений, которые в этих случаях достигают десятков мегом и микрофарад. В таких случаях уменьшение номиналов осуществляется заменой модели с катодным повтори­ телем (рис. 115) электронной моделью с усилителем (рис. 116, а) [108]. Усилитель имеет коэффициент усиления k = 25н-30. Эта

185

схема позволяет увеличить постоянную времени модели по сравне­ нию с предыдущей схемой в k + 1 раз. Коэффициент усиления должен быть стабильным.

Определим передаточную функцию электронной модели, поль­ зуясь схемой замещения (рис. 116,6). Операторный ток в этой схеме равен

Выходное напряжение корректирующего звена найдется как

женной на рис. 115. Это значит, что номиналы емкостей и со­ противлений для получения одной и той же постоянной времени можно уменьшить в указанное число раз:

Т= k + 1 '

Емкость С1 в рассмотренном звене должна обладать большим

выходного сигнала х в ы х .

Активное дифференцирующее звено (рис. 117) на базе стандарт­ ного решающего усилителя типа У У-2 предназначается для вклю­ чения в цепь обратной связи электронного потенциометра ЭПП-09.

Параметры звена автоматически настраиваются на постоянную времени приемного преобразователя благодаря кинематической связи между записывающим устройством электронного потенцио­ метра и движками переменных сопротивлений R1 и R2.

Такое звено [87] в лабораторных условиях осуществляло ком­ пенсацию динамических погрешностей тепловых расходомеров газов высокого давления.

186

Корректирующие звенья с перестройкой для коррекции термо­ преобразователей со сложной передаточной функцией представ­ ляют собой последовательное соединение звеньев (см. рис. 121

и122).

В[106] показывается возможность исследования схем кор­ рекции сложных термопреобразователей на аналоговых машинах типа МН-7.

Моделирующие установки МН-7 могут применяться для из­ мерения температур в лабораторных условиях.

Корректирующие звенья на базе решающих усилителей по сравнению с рассмотренными выше звеньями обладают большей точностью, легкостью настройки, большим диапазоном изменения постоянной времени и коэффициента коррекции. В [106] описы-

Рис. 118. Устройство коррекции на базе решающих усилителей типа УКТ-2

ваются решающие усилители и корректирующие устройства, выполненные на их основе. Для удовлетворения высоким требо­ ваниям по отношению к шумам и дрейфам обычные усилители аналоговых машин оказались неприемлемыми. В специально разработанных усилителях на базе ламп 6Н1П и 6Н2П применены параллельно-балансные каскады и автоматическая компенсация дрейфа нуля при помощи усилителя с модуляцией-демодуляцией. Дрейф нуля снижен до 20 мкВ.

Корректирующее звено на базе решающих усилителей [107] представляет собой (рис. 118) сочетание предварительного уси­ лителя 2, сумматора 3, интегратора 4 и корректирующего уси­

ным усилителем 2 и затем поступает на вход сумматора 3, где складывается с выходным сигналом корректирующего усилителя 5. На вход интегратора 4 с сумматора подается сигнал в виде напря­ жения, величина которого реглируется делителем R1. Этот сиг­ нал определяет значение постоянной времени корректирующего звена. В корректирующем усилителе 5 складываются сигналы

187

предварительного усилителя 2 и интегратора 4. Коэффициенты усиления корректирующего усилителя определяют степень кор­ рекции сигнала термоприемника. С выхода усилителя 5 сигнал поступает в регистрирующий прибор 6.

Передача сигнала с входа в корректирующее устройство до выхода из него в оперативной форме описывается уравнением

где k = — — коэффициент усиления корректирующего усили-

теля при R2 = R3 — R; Р — коэффициент, определяющий часть напряжения, подаваемого на интегратор 4.

Из уравнения (IV. 13) определяется передаточная функция корректирующего устройства:

Ц-P+i

Таким образом, устройство данного типа увеличивает быстро­ действие всей измерительной системы в k раз. Оно может исполь­ зоваться в системах как с ручной, так и с автоматической подстрой­ кой постоянной времени в процессе измерения температуры или другой тепловой величины (скорости, расхода и т. д.).

3)небольшие номиналы емкостей и сопротивлений;

4)сравнительно высокая статическая точность измерения;

5)низкий уровень шумов (1% от максимального значения сигнала).

В качестве регистрирующего прибора применяется потенцио­ метр типа ЭПП-09 с врменем пробега каретки, равным 1 с.

Рассмотренное устройство контроля температуры с коррекцией типа УКТ-2 включает в себя четыре специально разработанных решающих усилителя постоянного тока на 16 электронных лам­ пах [106].

Измерительная схема термоприемника питается от отдельного стабилизированного источника тока. Устройство УКТ-2 представ­ ляет собой переносный прибор, на передней панели которого имеются разъемы входа, выхода, сетевого питания и переключа­ теля рода работ («контроль», «подготовка», т. е. измерение тем­ пературы без коррекции, и «работа»).

188

2 7 . И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы С У С Т Р О Й С Т В А М И Д И Н А М И Ч Е С К О Й К О Р Р Е К Ц И И Б Е З А Д А П Т А Ц И И

Корректирующие устройства без адаптации, т. е. без под­ стройки постоянной времени, применяют в следующих случаях: 1) измеряемые величины изменяются в узких пределах, и погреш­ ностью от изменения коэффициента теплоотдачи пренебрегают; 2) коэффициент теплоотдачи имеет настолько большое значение, что постоянная времени термоприемника перестает от него за­ висеть (см. рис. 133); 3) исследуемой средой является хорошо перемешиваемая жидкость или жидкий металл; 4) исследуемый поток жидкости или газа имеет постоянную скорость.

Компенсация последовательным соединением приемного преобразователя и корректирующих звеньев

Идеальная коррекция при последовательном соединении не­ возможна по двум причинам: во-первых, реальные приемные преобразователи не являются одноемкостными и, во-вторых, кор­ ректирующие цепочки не обладают передаточными функциями вида (IV. 10). Поэтому компенсация динамических погрешностей сложных преобразователей при помощи реальных форсирующих звеньев с передаточной функцией (IV. 13) может быть осуществлена только приближенно. Примеры систем с коррекцией при после­ довательном соединении приемного преобразователя и коррек­

связью. Передаточная функция такого звена имеет передаточную функцию вида (IV. 16).

В работе [83] описываются две схемы корректирующих звеньев с применением решающих усилителей (рис. 119, 120). Обе схемы имеют передаточные функции одного типа, а именно:

ТгР+1

'К

Система последовательно соединенных преобразователя и кор­ ректирующего звена имеет передаточную функцию

189