книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

вляющие преобразование всех измеряемых сигналов в единую физическую величину; унифицированный сигнал; коммутирующие устройства, предназначенные для поочередного подключения пре­ образователей к системе, а также ряд других преобразователей. Затем следует измерительное устройство, выполняющее собст­ венно измерительные операции (сравнение со шкалой или мерой), с унифицированным входным сигналом.

Устройство обработки информации выполняет математическую и логическую обработку при проведении косвенных или совокуп­ ных измерений; для получения обработанных стохастических ха­ рактеристик и т. д.

Устройство представления информации может включать в себя запоминающие устройства, а также показывающие и регистрирую­ щие устройства, предназначенные для выдачи информации.

Рис. 10-1

Кроме того, ИИС обычно включают в себя устройства управле­ ния, которые задают алгоритм работы всей системы, а также позволяют, например автоматически, в зависимости от характера контролируемых процессов, выбирать шаг квантования по вре­ мени и уровню, подключать те или иные датчики и т. д.

Перечисленные устройства входят в состав системы в самом общем случае. В частных случаях те или иные устройства могут и отсутствовать.

По функциям, выполняемым ИИС, системы можно разделить

мые, косвенные или совокупные измерения и выдающие информа­ цию в виде именованных чисел или их отношений. Применяются такие системы при всевозможных комплексных исследованиях на­ учного и производственного характера.

Системы второй группы, САК, сопоставляют результаты изме­ рения действительных значений параметров, характеризующих объект контроля, со значениями этих параметров, принятыми за допустимые или нормальные, реализуемые системой уставок. Информация в этом случае носит качественный характер и пока­ зывает, находится ли данный параметр в «норме» или вышел за допустимые пределы, т. е. стал «больше» (нормы) или «меньше».

294

Системы этой группы называются также системами централизо­ ванного контроля.

И, наконец, системы технической диагностики вырабатывают на основании результатов измерения обобщенные суждения о со­ стоянии объекта. Эти системы в зависимости от требований, предъ­ являемых к ним, могут оценивать состояние объекта в целом: «го­ ден» или «не годен», а также находить неисправные узлы, выдавать инструкции для устранения неисправностей в обнаружен­ ном узле и т. п.

Приведенное разделение систем весьма условно, так как САК, выпускаемые в настоящее время, одновременно выполняют и опе-

а О

Рис. 10-2

рации измерения; системы диагностики имеют много общего с из­ мерительными системами для научных исследований и т. д.

Любая из перечисленных систем может быть системой ближ­ него действия и системой телеизмерительной, т. е. дальнего дейст­ вия. В зависимости от того, какая при этом используется линия связи различают проводные телеизмерительные системы и радиотелеизмерительные системы.

Одним из отличительных признаков, характеризующих внутреш нее строение ИИС, является однократное или многократное ис­ пользование измерительного канала получения измерительной ин­ формации об исследуемом объекте.

Структурная схема ИИС с однократным использованием из­ мерительных каналов приведена на рис. 10-2 а. Здесь информация от каждого датчика идет по своему собственному измерительному каналу ИКі. Оценка состояния исследуемого объекта произво­ дится по результатам измерения всех параметров оператором или логическим устройством.

При большом числе измеряемых параметров стоимость такой системы становится слишком большой. Особенно невыгодна структура, показанная на рис. 10-2, а, при построении телеизмери­ тельных систем, в которых значительной оказывается стоимость

линий связи.

В этом случае возникает необходимость передавать всю инфор­ мацию по одной и той же линии связи, но от каждого датчика по своему каналу связи. Таким образом, на одной линии связи

295

создают несколько каналов, обеспечивающих независимую пере­ дачу информации. Такие системы называются многоканальными.

Для того чтобы создать несколько каналов на одной линии связи, на передающей стороне (см. рис. 10-2 6) должно быть уст­ ройство уплотнения каналов (информации), а на приемной сто­ роне устройство разделения каналов (информации).

Чтобы сигналы, передаваемые по разным каналам, можно было бы различить они должны характеризоваться какими-то при­ знаками. Чаще всего используются временные и частотные при­ знаки и соответствующие им методы временного и частотного раз­ деления каналов.

При временном разделении каналов каждому каналу отво­ дится свое время, на которое он и подключается с помощью ком­ мутатора к линии связи. На приемной стороне должен быть ком­ мутатор, работающий синхронно с передающим. В этом случае каждый из приемников информации Я/Д отобразит информацию, поступающую от своего датчика Ди

При частотном разделении каналов к линии связи одновре­ менно подключены все каналы, но информация по каждому ка­ налу передается на своей частоте. На приемной стороне сигналы, следующие по разным каналам, выделяются с помощью каналь­ ных фильтров, настроенных на соответствующие частоты. В этом случае каждый приемник информации ПИі связан с линией связи через соответствующий і-й фильтр, что позволяет получить на нем информацию г'-го датчика Ди

Для передачи и приема измерительной информации по одно- и многократно используемым линиям связи необходимо ее преоб­ разовать в форму удобную для передачи по каналу связи и приема на приемном конце. При этом возникают дополнительные погреш­ ности.

Поэтому в телеизмерительных ИИС большое значение приоб­ ретают способы преобразования и передачи измерительной инфор­ мации по линиям связи, рассмотренные несколько подробнее в следующем параграфе.

§2. СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Для того чтобы информацию об измеряемой величине или про­ цессе можно было передать от датчика к системе для обработки или регистрации или от одного узла системы к другому, ее прежде всего необходимо материализовать. Материальную форму вопло­ щения информации иногда называют сообщением. Сообщения от одного измерительного преобразователя к другому передаются с помощью какого-либо физического процесса (носителя). Обычно какой-либо параметр носителя определенным образом изменяется во времени и однозначно соответствует данному сообщению. Такой физический процесс, параметр которого содержит информацию, на­ зывают сигналом.

296

Возможные измерительные сигналы приведены в таблице (см. введение) и рассмотрены в главе 2. Превращение сообщения (из­ меряемой величины) в сигнал (другую физическую величину) со­ стоит из трех операций, независимых или совмещенных: преобра­ зования, модуляции и кодирования.

Под преобразованием в измерительной технике понимается преобразование одной физической величины в другую, например переменного тока в постоянный, пневмати­ ческой величины в электрическую и т. п.

Под модуляцией понимается воздействие измеряемого сигнала на какой-либо пара­ метр носителя. Если в качестве носителя используется давление или постоянное на­ пряжение, то единственным параметром является величина этого параметра. Сину­ соидальное напряжение как носитель имеет три параметра: амплитуду, частоту и фазу. В зависимости от того, какой из этих пара­ метров переносит информацию различают модуляции: амплитудную AM, частотную 4M и фазовую ФМ (рис. 10-3).

На рис. 10-3 в качестве иллюстрации приведен характер и изменение измеряемой величины X(t) и несущего синусоидального напряжения Ua(t) для трех видов модуля­ ции AM, 4M и ФМ.

При использовании в качестве носителя

Рис. ю-З

последовательности импульсов могут ис­ пользоваться такие его параметры, как ам­

плитуда, частота и ширина импульсов. Тогда различают ампли­ тудно-импульсную модуляцию АИМ, частотно-импульсную ЧИМ и время-импульсную ВИМ [58]. В первом случае под действием

Операции преобразования и модуляции в измерительной тех­ нике часто неразделимы. В качестве примера рассмотрим мост, изображенный на рис. 10-3. В качестве одного из плеч моста, пи­ таемого переменным напряжением V, включено термозависимое сопротивление Если при ^ = 0°С уравновесить мост, а затем из­ менять температуру окружающей среды, на выходе моста появится переменное напряжение UВых, амплитуда которого будет одно­ значно соответствовать значению температуры. Таким образом, здесь осуществляются и преобразование неэлектрической величины 1°С в электрическую U и амплитудная модуляция несущего напря­ жения. Несущим напряжением в данном случае является перемен­ ное напряжение, питающее мост U.

Под кодированием будем понимать способ однозначного отоб­ ражения символов одного алфавита символами другого алфавита. Символы, используемые в алфавите, называют элементами кода,

297

а число различных элементов кода— его основанием. Набор сим­ волов, обозначающих количественную характеристику какого-либо параметра, называют кодовой комбинацией, а число символов в ней — разрядом кода.

Количественную информацию можно представить (закодиро­ вать) с помощью различных систем счисления. Наиболее удобны системы (коды) с основанием 10 (десятичная система) и 2 (двоич­ ная система). Например, запись числа от 0 до 10 в двоичном коде приведена в табл. 3-2.

При передаче информации от одного преобразователя к дру­ гому, особенно при большой длине линии связи, на сигнал воз­ действуют помехи, к которым относятся изменения: электромаг­ нитных полей, окружающей температуры, напряжения источников питания и многие другие. Помехи, воздействуя на сигнал, приво­ дят к потере информации, или, иными словами, увеличивают по­ грешность измерения. Оказывается, что влияние помехи опреде­ ляется в значительной степени видом модуляции или методом кодирования. Так, например, при частотной 4M или частотно­ импульсной ЧИМ модуляции сигнал значительно устойчивее по отношению к помехе, чем при амплитудной AM или амплитудно­ импульсной АИМ модуляции.

При построении многоканальных систем с временным или ча­ стотным разделением каналов соседние каналы влияют друг на друга, вызывая тем самым погрешность. Это влияние, а следова­ тельно, и погрешность также зависит от вида модуляции.

Если говорить о методах кодирования, то, например, двоичный код, приведенный в табл. 3-2, не является помехоустойчивым. Дей­ ствительно, если 1 передается импульсом, а 0 его отсутствием, то помеха может либо разрушить 1, либо создать импульс, т. е. 1, там, где его не было. При изменении одного из символов кодовая комбинация перейдет в какую-то другую и будет декодирована неправильно. Для того чтобы этого не произошло, применяют коды с обнаружением ошибки и коды с исправлением ошибки. Такие коды называются корректирующими [58].

Простейшим примером кода с обнаружением ошибки может служить двоичный код, построенный следующим образом:

с табл. 3-2 добавлен лишний символ 1 или 0 таким образом, чтобы

298

число единиц в комбинации было четным. Тогда, если какой-то символ исказится, на вход декодирующего устройства придет не­ четное число единиц и ошибка будет обнаружена. Подобный код позволяет обнаруживать только однократную ошибку, т. е. иска­ жение одного символа в кодовой комбинации. Если возможно одно­ временно искажение двух и более символов, применяют более сложные коды [58].

Однако следует помнить, что любое повышение помехоустойчи­ вости измерительной системы усложняет аппаратуру и увеличи­ вает время передачи информации.

§ 3. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ и и с

Унифицирующие преобразователи. При контроле и управлении технологическими процессами приходится следить за многими па­ раметрами (или измерять их). Если эти операции выполняет си­ стема, то к ее входу должно быть подключено большое число дат­ чиков. Обычно датчики, работающие на одну систему и измеряю­ щие различные параметры, различаются по своим физическим принципам и конструкциям. Кроме того, датчики одного типа могут несколько отличаться друг от друга диапазоном своих вы­ ходных характеристик.

Для согласования датчика с системой его выходной сигнал должен быть унифицирован, т. е. приведен к единой физической величине и к единой шкале. Так, например, введены стандартные унифицированные сигналы ГСП согласно ГОСТ 9895—69. Все датчики ГСП имеют стандартные значения выходных сигналов, что, как известно, позволяет обеспечить их взаимокомплектуемость с остальными узлами систем.

Однако не все датчики имеют стандартные выходные сигналы. Поэтому между датчиком и системой обратной информации в ряде случаев включают специальный унифицирующий преобразователь. Этот преобразователь должен работать так, чтобы различным диа­ пазонам изменения или различной физической величине измери­ тельных сигналов соответствовал один и тот же диапазон измене­ ния унифицированного сигнала.

Унифицирующий преобразователь УП может быть как индиви­ дуальным для каждого датчика, так и обслуживать определенную группу датчиков. Во втором случае датчики к УП подключаются поочередно. Одновременно с этим перестраиваются и характери­ стики унифицирующего преобразователя.

Если характеристика датчика линейна и меняется в пределах от Хі до Х2, а шкала выходного сигнала УП должна лежать в пре­ делах от Ymin до Ymax, то унифицирующий преобразователь дол­ жен выполнять линейную операцию вида

У = Уo + kx,

преобразующую входную величину х —Хі при y = Ymin (в частном случае 0), а х — Х2 при у —Ymax'

299

Таким образом, при этой операции смещается начало шкалы

ивводится масштабный коэффициент (дробное или целое число). Чаще характеристики датчиков нелинейны. Например, у тер­

моэлектрического термометра стандартных градуировок нелиней­ ность характеристик, связывающих т. э. д. с. с температурой, достигает 5—6%. Некоторые датчики имеют еще большую нелиней­ ность. Унифицирующие преобра­

чае выполняется в два этапа. На первом этапе устанавливается нуль шкалы вычитанием начального напряжения U0, часть кото­ рого составляет э. д. с. термопары из-за температуры свободных концов, отличной от градуиро­

вочной ^гр = 0°С. Напряжение Uо получают от моста с помощью делителя напряжения, позволяю­ щего использовать термопары хромель-капель ХК, хромель-

подгоняют так, чтобы выходное напряжение моста менялось при изменении температуры по тому же закону, что и т. э. д. с. при изменении температуры свобод­ ных концов. Масштабирование сигнала, т. е. его изменение в k раз, удобнее всего выполнить с по­

мощью измерительного усилителя, имеющего стабильный коэффи­ циент усиления. Для этого усилитель У охватывают глубокой от­ рицательной обратной связью (цепь ß).

При использовании резистивных датчиков для смещения нуля сигнала применяют неуравновешенные мосты, выходное напряже­ ние которых зависит от разности сопротивлений. На рис. 10-5 приведена схема такого моста, предназначенного для работы с термометром сопротивления ТС. Чтобы исключить влияние изме­ нения сопротивления соединительных проводов на выходной сигнал

300

моста, термометр сопротивления включают по трехпроводной схеме. Увеличение сигнала в k раз может быть осуществлено, как и в слу­ чае с термопарой, измерительным усилителем. При этом к зажи­ мам а, b (рис. 10-5) подключают аналогичный усилитель (см. за­ жимы а, Ь, рис. 10-4), охваченный отрицательной обратной связью для стабилизации коэффициента К.

Возможны и другие способы смещения нуля и масштабирова­ ния. В приведенном примере унифицирующее преобразование вы­ полнялось в аналоговой форме. Значительно выгоднее преобразо­ вывать аналоговый сигнал в код, а затем выполнять масштаби­ рование и линеаризацию.

Коммутирующие устройства. Коммутирующие устройства, или коммутаторы, наиболее часто используются для поочередного под­ ключения датчиков ко входу системы, или, иначе говоря, для вре­ менного разделения каналов.

Если коммутаторы предназначены для переключения аналого­ вых сигналов, например напряжений, то его основной характери­ стикой является погрешность коэффициента передачи-

где и вх — сигнал на входе коммутатора; UBых — сигнал на выходе коммутатора.

При передаче кодовых сигналов или при частотной модуляции

переключений в секунду, число датчиков, которое может обслу­ жить коммутатор; максимальная частота коммутации каждого ка­ нала. По принципу действия коммутаторы делятся на контактные

ибесконтактные.

Вконтактных коммутаторах датчик подключается замыканием механических контактов, т. е. контактными ключами. Контактные ключи, к которым относятся электромагнитные реле всевозможных типов, обладают малым сопротивлением в проводящем состоянии Rup (сотые доли Ома) и практически бесконечно большим в разомк­ нутом Яобр. Быстродействие контактных ключей предельная ра­ бочая частота не превышает нескольких сотен герц. К контакт­ ным коммутаторам относятся и силовые искатели, частота пере­ ключений которых не превышает нескольких десятков герц.

Бесконтактные ключи представляют собой элементы с управ­ ляемой проводимостью, например диоды, транзисторы, фоторезис­

больше, чем у бесконтактных, а R0бр отлично от бесконечности. По конструкции коммутаторы можно разделить на аппаратные

исхемные.

Каппаратным, представляющим собой конструктивно целое устройство, относятся, например, шаговые искатели, ртутно-струй­ ные коммутаторы, электроннолучевые распределители и др.

301

Наиболее распространенным типом является шаговый иска­ тель, представляющий собой ряд неподвижных пластин, располо­ женных по окружности, на которых имеются изолированные ла­ мели — контактное поле. Вдоль этого контактного поля переме­ щается подвижная щетка. Число неподвижных контактов в одном ряду у шаговых искателей— 11, 17, 25 или 50, а число рядов, по которым одновременно перемещаются жестко связанные между собой, но электрически изолированные щетки, равно 4-8. Комму­

тация шаговыми искателями про­ исходит со скоростью, не превы­ шающей нескольких десятков ша­ гов в секунду.

Схемные коммутаторы соби­ раются по какой-либо схеме из контактных или бесконтактных ключей. Коммутаторы могут ра­ ботать в режиме обегающего и выборочного контроля. В первом режиме к системе периодически поочередно подключаются все датчики. В режиме выборочного контроля подключение датчиков происходит по некоторой про­ грамме.

Устройства задания уставок.

Одной из основных задач ИИС, предназначенных для контроля технологических параметров, яв­ ляется сравнение измеряемой ве­ личины с ее допустимыми зна­ чениями— верхним и нижним, которые задаются с помощью ус­ тавок.

В общем случае, сигналы, как и уставки, могут быть заданы в любом виде, например, в виде давления, перемещения и т. и. Однако в системах автоматического контроля уставки обычно за­ даются в виде напряжений. В этом случае на один из входов срав­ нивающих устройств, называемых нуль-органами НО, подается измеряемое напряжение Ux (рис. 10-6, а), а на вторые входят соответственно верхнее допустимое значение измеряемого напря­ жения Uб, номинальное значение UH и нижнее допустимое UM. Задачей сравнивающего устройства является определение, во-пер­ вых, наличия разности двух величин (измеряемой и уставки) и, во-вторых, знака этой разности. Поэтому выходные сигналы нуль-

к срабатыванию сигнализирующих устройств, чаще всего световых или звуковых. Одновременно с сигнализацией могут приводиться

302

в действие устройства автоматического регулирования и управ­ ления.

Уставки могут быть заданы в аналоговой форме и кодовой, соответственно выбираются и нуль-органы.

На рис. 10-6,6 показана схема, используемая для задания уста­ вок в аналоговой форме. Схема состоит из двух мостов Мі и М2, питающихся от отдельных источников Е4 и Е2. Номинальное зна­

делы задаются переключателями ПКі и ПК2■Часто как номиналь­ ная величина, так и границы допустимых значений задаются в единицах измеряемой величины. Например, если измеряется темпе­ ратура, то уставки задаются в градусах. В этом случае с сопротив­ лений — RK снимают напряжение, соответствующее десяткам градусов, а с сопротивлений R i — R'K напряжение, соответствую­ щее единицам градусов. Для того чтобы порядок напряжений, соответствующих десяткам и единицам градусов, был различен, необходимо выполнить соотношение Е\ >Е2.

Канал сравнения значения измеряемого параметра с уставкой может быть как индивидуальным для каждого датчика, так и об­ щим для всех датчиков. В последнем случае происходит поочеред­ ное подключение измеряемых величин к общему для всех устрой­ ству сравнения. Уставки, естественно, задаются индивидуально для кажДого измеряемого параметра.

При использовании кодовых устройств сравнения последние сопоставляют коды эквивалентные измеряемой величине и ее до­ пустимым значениям. Если сравниваются два числа А и В, отобра­ женные кодовыми комбинациями, то условием их равнозначности

хотя бы в одном разряде. Обычно сравнение ведется от старшего разряда к младшему, и прекращается как только в каком-либо разряде обнаружится неравнозначность.

Операции поразрядного сравнения чисел осуществляются раз­ личными комбинациями логических цепей (см., например, [49]).

Достоинством кодовых устройств сравнения, несмотря на их относительно большую стоимость и сложность, является то, что они осуществляют сравнение без погрешности. Если же в каком-то разряде сравнение произведено неправильно, то это считается сбоем.

Запоминающие устройства. В некоторых случаях измерительную (и служебную) информацию приходится не только использовать в процессе измерения и контроля, но и хранить в течение опреде­ ленного времени. Кроме того, в ряде случаев информация вообще не может быть использована непосредственно после ее получения и должна быть сохранена.

Для хранения информации служат запоминающие устройства (ЗУ). Основными характеристиками любого ЗУ служат его емкость и скорость записи и выборки необходимой информации.

303