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

производной от сигнала термопары, снимается с части сопротив­ ления R. Суммирование указанных сигналов, т. е. реализация алгоритма (IV.25) и (IV.26), производится в измерительном устрой­ стве 5 второго электронного потенциометра, реверсивный дви­ гатель 6 которого воспроизводит значение измеряемой величины с меньшей динамической погрешностью.

Электронные потенциометры принимаются как пропорциональ­ ные звенья с коэффициентами усиления k3 и &4 .

С учетом принятых значений передаточных функций звеньев имеем передаточную функцию системы

Таким образом, в соответствии с (IV.27) и (IV.28) постоянная времени системы уменьшается в 1 + &3/г4 раз по сравнению с по­ стоянной времени приемного преобразователя.

Компенсация включением корректирующего звена в цепь обратной связи электронного потенциометра

Такое включение позволяет изменить характер переходного процесса измерительной системы в сторону соответствия выход­ ного сигнала контролируемому. Один из возможных вариантов этого метода с использованием решающих усилителей [70] пока­ зан на рис. 128.

200

Положим, что термопара ТП описывается уравнением первого порядка; тогда передаточная функция электронной части (уси­ литель ЭУ и двигатель РД) примет вид

Рис. 128. Схема электронного потенциометра с корректирующим звеном в цепи обратной связи

Подставив в (IV.29) значения Ki (р) и Кк (р), определим пере­ даточную функцию корректирующего звена при выполнении условия

Кс (р) = К, (р) Кк.„ (Р) = С = const,

где Кк. п (р) — передаточная функция скорректированного реги­ стрирующего прибора типа электронного потенциометра. Таким образом, имеем

1 - е [Г^двР 3 + (Тг + Г д в ) Р 2 + р]

* к ( / > ) =

где

е = kyk.

Из-за малости е членами с е в числителе пренебрегаем. При этом передаточные функции первичного преобразователя и коррек­ тирующего звена будут различаться только коэффициентами

усиления (| вместо kx будут kK

30}

Передаточная функция системы напишется в виде

Для этой системы необходимо выполнение условия

^ Т д В ^ 7\ -f- Гдв 1

yrtK ivyaK

Но так как 7^„ < 7, то условие устойчивости приобретает более простой вид

Т < 1 .

J дв ^ ь ь

КуКк Для уменьшения статической ошибки без нарушения устой­

чивости необходимо в контур ввести первую производную от вход­ ного сигнала. В таком случае передаточная функция корректирую­ щего звена будет

Решающие усилители могут работать только при большом вы­ ходном сигнале. Поэтому в потенциометре вместо стандартного реохорда установлен высокоомный реохорд Rp (10 кОм), на кото­ рый подается напряжение 100 В от стабилизированного источника питания.

Выход корректирующего звена включен в цепь между потен­ циометр ической измерительной схемой и электронным усили­ телем. В схеме потенциометра оставлено без изменения устройство

три положения измерительной цепи; измерение, стандартизацию тока и подстройку коэффициента передачи от оси редуктора до выхода корректирующего звена.

Подстройка вносит незначительные дополнительные статиче­ ские погрешности.

Описанная система была испытана на термопарах с различными величинами постоянной времени. Так, при Т = 10 мин было получено увеличение быстродействия в 20 раз.

Для включения (точки в и г) в цепь обратной связи электрон­ ного потенциометра (ЭУ и РД) применялось [43] малогабаритное

202

активное Корректирующее звено КЗ с адаптацией (рис. 129 и 130). В этом устройстве реохорд Rp, с которого снимается напряжение для питания корректирующей цепи, и реохорд R3 для автомати­ ческого изменения параметров цепи в зависимости от измеряемой

системе обеспечения постоянства тока. Напряжение с катодного повторителя через R4 подается на сетку второго триода, который работает в режиме триодного усилителя с резделенной нагрузкой.

203

где

жает напряжение до уровня сигнала приемного преобразователя. Нулевой ток компенсируется с помощью делителя из сопроти­ влений R9, R10 и R11. Конденсатор С2 осуществляет обратную связь между входом и выходом корректирующего звена. Конден­ сатор С1, включенный параллельно R3, способствует устой­ чивости системы. Питание схемы осуществляется с помощью стабилизированного выпрямителя, собранного на лампах Л2,

ЛЗ и Л4.

Рассмотренное устройство представляет собой операционный усилитель постоянного тока с хорошей линейностью и малым дрейфом нуля из-за глубокой отрицательной обратной связи на входе и позволяет компенсировать большие постоянные времени

Приемный преобразователь и охватывающее его в виде обрат­ ной связи корректирующее звено образуют следящую систему. Такая система обеспечивает стабилизацию состояния теплового элемента при изменении контролируемой величины. Системы урав­ новешивания находят применение при измерении температуры, скорости, вакуума, угла поворота и т. д.

Сигналом, характеризующим тепловое состояние системы, чаще всего служит э. д. с. небаланса мостовой схемы, в которую включен тепловой элемент в виде нагреваемого элемента, или разность э. д. с. термопары и напряжения, например на диаго­ нали моста, служащего задатчиком системы регулирования.

Для компенсации динамических погрешностей нахоядт при­ менение системы уравновешивания двух видов: статические без интегрирующего звена и астатические с интегрирующим звеном, в качестве которого обычно служит реверсивный двигатель.

Вастатической системе (рис. 131) сигнал х, пропорциональный

изменению расхода, сравнивается с сигналом хк, пропорциональ­ ным изменению мощности нагревателя Н в измерительной схеме сравнения ИСС. Далее сигнал поступает на усилитель У и ревер­ сивный двигатель РД, который через движок реостата воздей­ ствует на нагреватель и одновременно на регистрирующее устройство РУ.

Встатической системе (рис. 132) выходной сигнал усилителя идет на нагреватель Я и одновременно на регистратор РУ.

204

Астатические следящие системы (рис. 13i) представляют собой усилители постоянного тока с глубокой обратной связью. Они обладают большим быстродейтсвием, так как уравновешивание осуществляется в момент появления сигнала рассогласования.

Передаточная функция КС (р) системы простейший приемный преобразователь — звено отрицательной обратной связи имеет вид

Рассмотрим случай, когда приемный преобразователь имеет

постоянная времени, но и коэффициент усиления системы, нали­ чие отрицательной обратной связи вызывает необходимость до­ полнительных усилителей, выход которых связан с нагревателем (специальный негреватель или сам термоприемник).

Встатических системах удается уменьшить время переход­ ного процесса в несколько десятков раз. При этом глубина коррек­ ции зависит от спектральных свойств контролируемого процесса.

Вастатических системах получено увеличение быстродействия всего в несколько раз.

Вид передаточной функции астатической следящей системы более сложен, чем (IV.31), что объясняется наличием интегрирую­ щего звена РД в цепи обратной связи (рис. 131). Астатические системы применяются, в частности, в тепловых расходомерах.

205

2 8 . И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы С А Д А П Т И В Н Ы М И С А М О Н А С Т Р А И В А Ю Щ И М И С Я У С Т Р О Й С Т В А М И

Основные принципы компенсации с автоматической адаптацией

Корректирующие свойства устройств с постоянными парамет­ рами ограничиваются диапазоном изменения физических и геомет­ рических параметров контролируемой среды в процессе изме­ рения.

Из характеристических кривых (рис. 133) видно, что терми­ ческая инерция одного и того же тела с изменением коэффициента

Это равенство может быть обеспечено корректирующим устрой­ ством, обладающим способностью приспособления (адаптации)

кизменяющимся условиям теплообмена.

Под адаптацией понимается способность устройств коррекции приспособляться путем изменения своей постоянной времени к из­ менению динамических характеристик тепловых преобразователей. Адаптация выражается в подстройке постоянной времени модели

изменение постоянной времени измерительного устройства в про­ цессе измерения. Так, например, в устройстве для измерения расхода тепловым методом (рис. 130) параметры корректирующего устройства изменяются посредством дополнительных реохордов, встроенных в электронный потенциометр.

Два варианта устройства с подстройкой [6, 10] применялись при измерении температуры расплавленной стали до 2000° С

206

динамическим методом, который заключался в кратковременном погружении термопары, выдерживающей температуру не выше

постоянные времени не равны, то напряжение небаланса на вы­

постоянной времени модели, можно сформулировать следующим

на усилитель У1 (рис. 135), откуда он подается одновременно на

водной ко второй производной. На выходе блока суммирования по­

207

подмагничивания 3, по которой протекает ток, пропорциональный постоянной времени термоприемника / [54]. На выход дифферен­ цирующего блока БД1 подается выходной сигнал термоприем­ ника — термометра сопротивления. Во втором дифференцирую­ щем звене БД2 производится дифференцирование первой произ­ водной. Первая и вторая производные подаются на блок деления БДл, где вторая производная делится на первую для получения сигнала, пропорционального постоянной времени термоприем­ ника. В качестве блоков БД1, БД2 и БДл используются опера­ ционные усилители.

С развитием новой техники все чаще появляется необходимость исследования и контроля быстропротекающих нестационарных

процессов, при которых коэффициент теплоотдачи и воздействия среды изменяются. В связи с этим весьма актуальной становится задача создания малоинерционных преобразователей с широким частотным диапазоном и корректирующих устройства с адапта­ цией.

В работе [106] излагаются основные принципы действия, описывается структура и указываются возможности корректирую­ щих устройств с адаптацией (самонастраивающихся).

Самонастраивающиеся системы (СНС) находят все большее при­ менение для управления объектами с изменяющимися характе­ ристиками. Информацию о состояни объекта управления можно получить двумя способами: поисковым и аналитическим.

Поисковые СНС используют главным образом для достижения оптимальных условий только в установившихся режимах. Кроме того, обычно они требуют пробных движений регулирующего органа для осуществления поиска оптимального варианта, что не­ допустимо в процессе измерения. Поэтому в корректирующих устройствах применяют аналитический способ самонастройки.

Аналитические СНС характеризуются тем, что в них целена­ правленные и контролируемые изменения параметров управляю-

208

щей части системы осуществляются в результате вычисления кри­ терия оптимальности системы.

Преимуществами аналитических СНС по сравнению с поиско­ выми являются большие быстродействие (время на осуществле­ ние поиска не затрачивается) и точность.

Важнейшей особенностью СНС для измерения быстропеременных температур является наличие в ней контура самонастройки, который выполняет следующие функции; 1) определяет текущие динамические характеристики основного контура СНС; 2) в соот­ ветствии с установленным алгоритмом и на основании заданного критерия качества работы (оптимальности) выбирает необхо­ димую для оптимизации процесса измерения настройку, т. е. изме­ нение параметров системы; 3) анализирует полученное значение настройки параметров системы.

Процесс настройки состоит из трех этапов: опознания, синтеза и реализации. Для их осуществления в СНС должны быть взаимо­ действующие блоки: анализатор, синтезатор и исполнительный орган.

Структура схемы существенным образом зависит от харак­ тера критерия оптимальности и алгоритма, которые, в свою оче­ редь, определяются условиями измерения.

В зависимости от скорости изменения динамических характе­ ристик термоприемника в условиях быстрого изменения измеряемой величины применяются различные критерии оптимальности на­ стройки.

При медленных изменениях характеристик применяется кос­ венный критерий; для работы системы достаточно одного прием­ ника. При быстрых изменениях характеристик критерием наст­ ройки системы служит равенство выходных сигналов двух кана­ лов измерения, один из которых содержит основные приемник и корректирующее звено и второй — вспомогательные приемник и корректирующее звено.

Для достижения критериев настройки СНС должна работать по строго определенному алгоритму, заложенному в схему сис­ темы и реализуемого системой в процесее измерения.

Компенсация с адаптацией на основе дискретной С Н С и косвенного критерия оптимальности

Для измерения температуры в условиях быстропротекающих процессов и при медленном изменении постоянных времени термо­ преобразователя, когда от СНС не требуется большого быстро­