Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

рующие на превышение допустимого порога шероховатости. Порог их срабатывания составляет 0,1 мкм.

При измерении толщины изделий (лист стали) либо толщины покрытий могут быть использованы различные датчики. Однако здесь следует учесть, что доступ к объекту измерения, как правило, только с одной стороны, поэтому требуется выбор приемлемого метода. Такая задача возникает при измерении толщины труб, уложенных в землю.

Для измерения больших расстояний, например пройденного пути движущимся объектом, находят применение методы подсчета числа оборотов какого-либо элемента, сцепляющегося с полотном дороги. Для измерения пути, пройденного автомобилем, суммируется число оборотов колеса за пройденное время. Для корабля таким элементом является крыльчатка лага, число оборотов которого суммируется за определенное время. В современных системах преобразователь, воспринимающий скорость вращения колеса или крыльчатки, преобразует ее в частоту электрических импульсов. Пройденный путь определяется как интеграл от скорости по времени путем подсчета полного числа электрических импульсов за время пути.

При измерении очень больших расстояний применяются методы радиолокации, при которых в сторону объекта посылаются электромагнитные колебания, т. е. передается радиоимпульс длительностью до 1 мкс. Отраженные от объекта колебания улавливаются приемником. Тогда, измерив время между моментом излучения импульса и моментом восприятия отраженного импульса приемником при известной скорости распространения электромагнитных колебаний (300000 км/с), находят расстояние. Например, при расстоянии 30 км время будет равно 200 мкс, поэтому наблюдение таких малых расстояний обычно производится на экране электронно-лучевой трубки.

Для небольших расстояний применяются методы звуко- и светолокации. Например, акустическая локация используется при измерении глубин моря. Скорость распространения звука в жид-

121

кости равна 1,5 км/с, т. е. в 200000 раз меньше, чем в воздухе, и поэтому здесь возможны измерения малых расстояний – нескольких десятков километров. Этот же метод используется для определения трещин в теле металла. Известные устройства в геодезии используют светолокацию.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое количество вещества?

2.Опишите методы измерения расхода жидкости и газа.

3.Перечислите преимущества и недостатки метода ППД.

4.Приведите классификацию расходомеров.

5.Опишите принцип действия расходомеров обтекания.

6.Приведите классификацию уровнемеров.

7.Каковы основные отличия виброметра от акселерометра?

122

8. ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ И ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. НОРМАЛИЗАТОРЫ

8.1. Схемы подключения

Существуют различные схемы подключения, которые могут быть применены для резистивных датчиков, таких как RTD (резистивный датчик температуры) или термисторы в схемах измерения и контроля температуры.

Двух-, трех- и четырехпроводные схемы в общем виде показаны на рис. 8.1. Для чего необходимо такое усложнение схемы?

Сопротивление выводов может привести к возникновению значительной погрешности, если не будут приняты адекватные меры для ее устранения, особенно в случае применения низкоомных датчиков RTD. В схемах с RTD определенный ток (обычно постоянный) протекает через датчик, сопротивление которого увеличивается пропорционально температуре с высокой точностью, повторяемостью и довольно высокой линейностью.

Рис. 8.1. Типичные схемы подключения резистивных датчиков

Так как сопротивление возрастает, то и падение напряжения на датчике возрастает и может быть без особого труда измерено аналого-цифровым преобразователем, хотя оно и невелико.

В идеальном случае измеряемое напряжение зависит только от сопротивления самого датчика. Однако на практике, особенно при двухпроводной конфигурации, реальное сопротивление между вы-

123

водами датчика определяется сопротивлением как самого датчика, так и выводов. Если бы сопротивление выводов датчика оставалось постоянным, это не влияло бы на точность измерительной схемы. Однако сопротивление этих выводов зависит от температуры; при изменении условий окружающей среды сопротивление выводов также изменяется, приводя к появлению погрешности. Если датчик удален и провода, идущие к нему, очень длинные, то величина погрешности может быть значительной для устройства с RTD, так как номинальное сопротивление RTD составляет от 100 до 1000 Ом и его температурный коэффициент порядка 0,4 %/°C. В приборах, где в качестве датчика используется термистор, чье номинальное сопротивление выше, чем у RTD, сопротивление выводов датчика обычно меньше влияет на точность.

Двухпроводная схема обеспечивает наименьшую точность из приведенных выше трех вариантов включения, так как сопротивление выводов 2RL и изменение сопротивления в зависимости от температуры приводит к появлению значительной погрешности. Например, если сопротивление выводов составляет 0,5 Ом для каждого вывода, то RL добавляет 1 Ом к измеряемому сопротивлению датчика. При использовании 100-Омного RTD с температурным коэффициентом α = 0,00385/°C это паразитное сопротивление даст начальную погрешность 1 Ом/(0,385 Ом/°C) = 2,6°C. Изменение сопротивления выводов в зависимости от температуры окружающей среды приведет к дальнейшему росту погрешности.

Трехпроводная конфигурация обладает значительными преимуществами по сравнению с двухпроводной за счет наличия одного дополнительного измерительного вывода. Когда измерительный вывод подключен к высокоимпедансному входу V(+), то по нему не течет ток и, таким образом, не возникает и погрешности. Однако сопротивление вывода, подключенного к V(-) и I(-), и температурный дрейф этого сопротивления по-прежнему оказывают свое влияние, хотя в данном случае погрешность уменьшается в два раза по сравнению с двухпроводной системой.

124

Четырехпроводная конфигурация обеспечивает самые высокие характеристики с точки зрения точности и простоты схемы по сравнению с двух- и трехпроводными конфигурациями. В данном случае погрешность, вызываемая сопротивлением выводов и температурным дрейфом этого сопротивления, устраняется за счет измерения сигнала непосредственно на самом датчике RTD.

Измерительные выводы RTD обычно подключаются к высокоимпедансному буферу (усилителю/АЦП), и поэтому ток по измерительным проводам не течет и ошибки не возникает.

Если имеется два одинаковых источника тока, то можно и в трехпроводной системе добиться полного устранения влияния сопротивления выводов и температурного дрейфа этого сопротивления, например при использовании аналого-цифрового преобразователя типа AD7711, как показано на рис. 8.2.

SCLK Микроконтроллер

200мкАmA DOUT

RL3R

CS

AGND

DGND

Рис. 8.2. Устранение влияния сопротивления выводов в трехпроводной схеме с RTD

125

Возбуждение датчика обеспечивается током 200 мкА от верхнего источника; ток течет через сопротивление выводов RL1. Ток от нижнего источника протекает через другой провод датчика с сопротивлением RL2, создавая падение напряжения, в точности равное и противоположное по направлению напряжению на RL1, таким образом подавляя это напряжение при измерении дифференциального сигнала. Сумма этих двух токов, не создавая проблем, протекает через третий вывод (RL3) на «землю»; при этом дифференциальный вход АЦП не реагирует на синфазное напряжение.

Ток величиной 200 мкА, протекающий через резистор с сопротивлением 12,5 кОм, вызывает падение напряжения, которое используется в качестве опорного напряжения для аналогоцифрового преобразователя. Таким образом, эта схема становится схемой измерения соотношения сигналов.

ИС АЦП с высоким разрешением AD7711 преобразует напряжение на датчике RTD в цифровой сигнал. ИС AD7711 является идеальным АЦП для данного применения; этот АЦП обладает 24-разрядным разрешением, имеет встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и пару источников тока одинаковой величины. Как видно из приведенного примера, вся схема получения цифрового сигнала может быть реализована на одной микросхеме без дополнительных схем усиления и формирования сигнала.

8.2.Роль и место преобразователя

вструктуре современной системы автоматизации

технологических процессов

Самый простой подход к сбору и передаче данных заключается в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на первом уровне к вторичным измерительным и управляющим

126

приборам на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым лучшим по двум причинам.

Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнительных механизмов, расположенных на технологической установке, удалены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и управления.

Именно удаленность датчиков от вторичных приборов во многих случаях является причиной наведения помех на длинных кабельных линиях, которые, как антенны, собирают «весь электромагнитный мусор» и искажают передаваемую информацию. Кроме того, стоимость длинных кабельных линий может составлять значительную долю стоимости всей системы.

Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на втором уровне средств контроля и управления.

Поэтому часто более предпочтительным решением является введение между первичным датчиком и вторичным прибором преобразователя сигнала в унифицированный сигнал – ток 4…20 мА. Преобразователь находится в непосредственной близости к первичному преобразователю и относится к первому уровню. В силу своего положения в структуре системы автоматизации преобразователи работают на «два фронта» и, соответственно, выполняют два основных набора функций.

Со стороны первичного датчика преобразователь:

реализует метод измерения электрического параметра с первичного датчика;

усиливает слабые сигналы;

линеаризует нелинейную характеристику первичного датчика;

осуществляет термокомпенсацию «холодных» спаев термо-

пар;

осуществляет преобразование в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.

127

Со стороны вторичных средств измерения и управления преобразователь:

ослабляет влияние электромагнитных помех;

ослабляет погрешности, связанные с влиянием сопротивления соединительных линий и с влиянием нестабильности источника питания;

позволяет экономить финансовые ресурсы за счет снижения стоимости соединительных линий;

позволяет унифицировать сигналы, используемые для передачи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.

Использование унифицированного токового сигнала (УТС) обусловлено следующими факторами:

унифицированный токовый сигнал 4…20 мА применяется во всем мире, поддерживается всеми производителями средств автоматизации;

типичный преобразователь представляет собой генератор тока, поэтому мало влияние сопротивления соединительных проводов, входных сопротивлений, напряжения питания, наводок;

унифицированный токовый сигнал можно передавать по недорогим проводам, в отличие от сигнала от термопары, для передачи которого требуется дорогой термокомпенсационный провод. При этом может происходить экономия на стоимости соединительных линий;

обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется по нулевому току в цепи.

8.3. Классификация нормирующих преобразователей

Нормирующие преобразователи (нормализаторы) – это устройства, преобразующие сигналы от датчиков в сигналы унифицированных диапазонов, принятых в системе ГСП. Для анало-

128

говых сигналов такими диапазонами являются, как правило, 0…5 В, 0…10 В, 0…20 мА, 4…20 мА либо токовая петля; для дискретных – сигналы TTL-уровня в диапазоне 0…5 В.

Согласно ГОСТ 13384-93, преобразователи измерительные классифицируются в зависимости от эксплуатационной законченности, по защищенности от воздействия окружающей среды, по степени защищенности от электрических помех, по числу и виду преобразуемых входных сигналов, по зависимости выходного сигнала от входного сигнала, по наличию или отсутствию гальванической связи между входными и выходными цепями, а также и по некоторым другим показателям. ГОСТ 13384-93 устанавливает целый ряд требований:

к нормируемым метрологическим характеристикам;

к входным и выходным сигналам;

к сопротивлениям входных и выходных цепей;

к электропитанию;

к электрической прочности и сопротивлению изоляции

к техническим характеристикам преобразователей, которые призваны обеспечить высокое качество преобразователей при их производстве, повторяемость технических характеристик и взаимозаменяемость преобразователей при эксплуатации.

При выборе преобразователя необходимо учитывать некоторые экономические аспекты. Так, применение преобразователей при измерении температуры позволяет обеспечить инвестиционную экономию на соединительных проводах.

В качестве примеров возьмем подключение к вторичному прибору различных датчиков температуры. Возможные варианты таких подключений представлены на рис. 8.3:

1) подключение термопары (ТП) с помощью термокомпенсационного провода типа ПТВВГ ХК 2×1,5;

2) подключение ТП с использованием нормирующего преобразователя измерительного типа ПНТ и кабеля типа КММ 2×0,35

втоковой цепи 4…20 мА;

129

3) подключение термосопротивления (ТС) с помощью кабеля МКЭШ 5×0,35 при четырехпроводной схеме;

Рис. 8.3. Различные варианты подключения датчиков температуры

квторичному прибору

4)подключение ТС с использованием преобразователя измерительного типа ПСТ и кабеля типа КММ 2×0,35 в токовой цепи

4…20 мА.

8.4. Системы с двойным преобразованием энергии

Наиболее распространенной в настоящее время технологией преобразования переменного тока являются системы с двойным преобразованием энергии (ДПЭ), содержащие в своей структуре звено постоянного тока. Звено постоянного тока, обеспечивающее накопление энергии от первичного источника питания переменного тока, помимо реактивных элементов (емкости, индуктивно-

130