Лекция 1

Если при каком-то значении входной величины датчика (обычно это значение принимается за среднее, или нулевое) происходит изменение знака выходной величины, датчик называется реверсивным, если знак выходной величины не изменяется — нереверсивным.

Если непрерывная статическая характеристика датчика имеет вид прямой линии, она называется линейной, в противном случае – нелинейной.

На рисунке 13 показаны статические характеристики наиболее распространенных датчиков.

у у у

у₂

∆у

∆х

у₁

х х х

0 0 х₁ х₂ х_отп х_сраб

а б в

у у

у₂ ∆у

у₁ ά

у₀ ∆х 0

х х х

0 0 2а

г д е

у у у

-х_сраб -х_отп

х х х

-х_отп х_сраб 0 х_отп х_сраб 0 0

ж з и

Рисунок 13 Статические характеристики датчиков:

а – непрерывная нереверсивная нелинейная; б — непрерывная нереверсивная линейная; в - релейная нереверсивная; г — непрерывная реверсивная нелинейная; д — непрерывная реверсивная линейная; е — нелинейная реверсивная с зонной нечувствительности 2а; ж — релейная реверсивная двухпозиционная; з — релейная реверсивная трехпозиционная; и – непрерывная реверсивная с петлей гистерезиса (с зоной нечувствительности)

Непрерывные характеристики имеют такие датчики, как термопары, термосопротивления, чувствительные элементы индуктивных датчиков, тензо-пьезодатчиков, фотодатчики и др. Теоретически статические характеристики почти всех этих датчиков нелинейны, но практически в рабочем диапазоне эта нелинейность незначительна.

К датчикам с релейной характеристикой относятся различные контактные датчики механических перемещений (например, конечные выключатели), электромагнитные и пневматические реле, электродные (контактные) датчики уровня различных сред, ртутные контактные термометры и т. д.

Непрерывные нелинейные характеристики можно линеаризовать, проведя определенным образом секущую (штриховая линия на рисунке 13, а, г). При небольшой зоне нечувствительности можно линеаризовать и характеристику, показанную на рисунке 13, е, заменив ее штриховой; возможно это и при небольшой величине петли гистерезиса. Если у характеристики с зоной нечувствительности используется одна ветвь (нереверсивная), стараются работать на линейной части характеристики после зоны нечувствительности.

Линеаризация, позволяя значительно упростить расчеты и анализ систем автоматического регулирования, ведет при этом к дополнительным ошибкам, поэтому нужно, чтобы реальные характеристики датчиков были близки к линейным непрерывным характеристикам.

В общем случае аналитическое выражение для непрерывной линейной характеристики (рисунок 13, д) записывается как уравнение прямой линии, не проходящей через начало координат:

у = у_о + Sх.

Коэффициент называют чувствительностью датчика.

Для нелинейных характеристик величина не является постоянной величиной.

Для однородных преобразователей величину S называют коэффициентом усиления.

Порогом чувствительности датчика называют по абсолютному значению величину входного сигнала, при которой начинает изменяться выходной сигнал. В зоне пороговой нечувствительности выходной сигнал остается постоянным при изменении входного сигнала. Для характеристики на рисунке 13, е при начальных значениях порог чувствительности определяется величиной а.

Для статических характеристик релейных датчиков можно определить коэффициент возврата КВ (см. рисунок 13, в, ж, з)

.

Релейные датчики по сравнению с непрерывными обладают такими преимуществами, как простота и высокая надежность, высокий коэффициент усиления по мощности.

Динамическая характеристика датчика определяет изменение его выходной величины во времени при изменении входной величины.

Большинство простых промышленных датчиков (датчики температуры, давления, перемещения) по динамическим свойствам можно отнести к апериодическому звену первого порядка с постоянной времени Т, характеризующей их инерционность. Небольшой величиной запаздывания τ обычно пренебрегают.

В техническом паспорте инерционность датчика характеризуется быстродействием (ч, мин, с), определяемым отрезком времени от момента подачи на вход скачкообразного воздействия до момента установления на выходе значения выходной величины, равной 0,67 установившегося значения при нулевых начальных условиях. Для апериодического звена первого порядка эта величина равна величине постоянной времени Т.

Если инерционность (быстродействие) датчика значительно меньше (больше), чем инерционность (быстродействие) объекта измерения, то в практических расчетах динамические свойства датчика (постоянные времени, запаздывание не учитывают. Датчик рассматривают как безынерционное звено с коэффициентом усиления, равным чувствительности датчика S.

Качество работы датчика характеризуется погрешностью его измерений. Погрешность оценивается по отношению к номинальной характеристике датчика, определяемой как некая средняя линия для множества статических характеристик датчиков данного типа (партии) и приводимая обычно в техническом паспорте на данный датчик.

Различают статическую и динамическую составляющие погрешности. Величина статической составляющей не зависит от скорости изменения измеряемого параметра и динамических свойств датчика, а величина динамической составляющей зависит как от скорости изменения измеряемого параметра, так и от его динамических свойств. Увеличение быстродействия датчика уменьшает динамическую составляющую погрешности.

Следует отличать погрешность измерения датчиком данной величины от общей погрешности измерения заданного параметра объекта. На общую погрешность может оказать влияние, например, неправильный, неправильный выбор места установки датчика на объекте, нарушение условий его эксплуатации и т. п.

Погрешность измерения датчика находится по отклонению его реальной характеристики от номинальной и определяется как разность

∆у = у_р — у_н или ∆х=х_н - х_р .

Это так называемые абсолютные погрешности измерения по выходной и входной величинам, выраженные в единицах измерения этих величин.

Абсолютная погрешность не может служить мерой точности датчика, так как, например ∆ х = 0,5 В при х = 1000 В достаточно мало, но при х = 1 В очень велико. Поэтому вводят понятие относительной погрешности

.

Так как величина относительной погрешности изменяется при величины х и у, а при х или у равном нулю становится равной бесконечности, вводят понятие приведенной погрешности.

Метод уравновешивания позволяет получать меньшую результирующую погрешность, чем метод прямого преобразования. Погрешности прямых преобразователей, охваченных обратной связью, практически не оказывают влияния на результаты измерения, и чувствительный элемент работает при малых отклонениях.

В реальных конструкциях датчиков различают по виду сигнала обратной связи схемы с механической и электрической (или пневматической) компенсацией. Среди схем с механической компенсацией выделяют схемы компенсации перемещения и схемы силовой компенсации.

Наибольшее распространение получают в последнее время компенсационные статические схемы с силовой компенсацией.

К современным датчикам, обеспечивающим высокую эффективность их использования в автоматических системах управления на обогатительных фабриках, предъявляют следующие требования:

- высокая точность, определяемая классом прибора, в пределах 0,5-1,0 и только для ряда датчиков (датчиков расхода загрязненных сред, датчиков вещественного состава и т. п.) в пределах 1,5-2,5;

- малый порог нечувствительности в пределах 0,1- 0,05%;

- непрерывная и линейная зависимость для параметров объекта, требующих точного регулирования;

- высокая надежность в заданных условиях эксплуатации с вероятностью безотказной работы в пределах 0,9-0,95 за 2000 ч;

- малая инерционность (высокое быстродействие), на порядок меньше (выше), чем по данному параметру у контролируемого объекта;

- отсутствие заметного влияния на контролируемый объект среду, т. е., как правило, чувствительные элементы датчиков должны быть малогабаритными;

- высокая стабильность показаний и устойчивость к внешним помехам;

- возможность работы в агрессивных, пожаро- и взрывоопасных средах;

- потребление небольшой мощности;

- высокая унификация (по параметрам выходных сигналов габаритам и т. п.);

- удобство в обслуживании и ремонте.

Ряд требований (малые себестоимость и габариты), находятся в противоречии с другими требованиями (высокая точность, надежность и т. п.), поэтому при выборе датчика необходимо предъявлять к нему разумные, обоснованные требования и учитывать экономический эффект от его внедрения.

Общепромышленные датчики широкого назначения.

Среди большого количества промышленных датчиков выделить датчики, которые применяются очень широко в различных отраслях промышленности в качестве самостоятельных источников информации и как составные элементы других, более сложных датчиков. К этим датчикам можно отнести датчики механических перемещений, усилий, давления и перепада давления, расхода жидкости и газов, температуры.

Датчики механических перемещений могут быть применены как самостоятельные устройства для контроля положения движущихся объектов или их частей; но главным образом их применяют как преобразующие элементы в других датчиках и устройствах.

Для контроля дискретных положений каких-либо движущихся объектов или отдельных частей устройств применяют обычно датчики, имеющие релейную статическую характеристику (см. рисунок 13, в). Наиболее распространены контактные электрические датчики, в которых под действием движущегося элемента происходит резкое скачкообразное перемещение (замыкание или размыкание) подвижных контактов. Это приводит к релейному изменению тока в измерительной цепи, которое фиксируется каким-нибудь электромагнитным реле. Датчики крайних положений называются конечными выключателями, а промежуточных — путевыми или просто контактными датчиками положения.

В пневматических механических выключателях при нажатии на входной элемент происходит закрытие или открытие пневматического канала, что приводит к резкому возрастанию или уменьшению давления воздуха в измерительной цепи, которое в дальнейшем преобразуется в релейный пневматический или электрический сигнал. Пневматические выключатели применяют во взрывоопасных или очень увлажненных средах.

Преимуществами релейных датчиков механических перемещений являются их простота и дешевизна.

Средства измерения и представления информации.

Устройства данной группы, предназначенные для визуального представления информации человеку-оператору и для выдачи сигналов в группу специальных средств обработки информации и выработки команд управления, могут быть классифицированы по следующим признакам: назначение, вид отображения информации, вид отображаемой информации, форма представления информации, вид, входного сигнала.

Различают аналоговые и дискретные методы представления измерительной информации. В обоих случаях простейшей формой выдачи является отображение результатов измерения на визуально считываемой шкале указывающего устройства.

По назначению средства делятся на две основные группы. Первую из них составляют средства измерения, которые выполняют операции измерения (сравнения с мерой) и представления результатов в форме, удобной для восприятия человеком и другими техническими средствами. Ко второй группе относятся средства, предназначенные только для отображения результатов измерения и их обработки, выполненных другими средствами.

Рассмотрим классификацию средств измерения. По виду отображения информации различают регистрирующие и показывающие средства. Регистрация производится на специальных долговременных носителях информации, для цифровых ВП в память и на внешние носители информации, для аналоговых – на диаграммную бумагу и т. п.

По виду отображаемой информации, регистрирующие и показывающие средства измерения делятся на непрерывные (запись линией), дискретные (печатание знаков — цифр, букв) и комбинированные.

По форме представления информации регистрирующие средства измерения можно подразделить на графические и знако - графические, а показывающие – на графические, знаковые и с указателем на шкале (стрелка, световое пятно).

Среди графических регистрирующих средств измерения можно выделить самопишущие приборы (запись на диаграммной бумаге) и двухкоординатные графопостроители. Знакографические регистрирующие средства имеют то же деление, но запись в них для отдельных точек производится цифрами и буквами.

Показывающие измерительные устройства подразделяются на стрелочные, со световым пятном, цифровые.

По виду измеряемых величин измерительные средства можно подразделить на электрические, пневматические и гидравлические.

В свою очередь электрические приборы подразделяют на вольтметры, амперметры, измерители параметров электрических цепей, приборы частотно-временной группы, комбинированные приборы, фазометры.

Признаки классификации средств представления информации аналогичны классификационным признакам средств измерения.

В этой группе средств более развиты средства с графической и знаковой формой представления информации, определяемые развитием средств вычислительной техники. Входные сигналы этих средств имеют дискретный (цифровой) характер. Здесь более развиты показывающие средства в виде дисплеев, например, универсальные знакографические индикаторы-дисплеи. К группе показывающих средств относятся и различные индикаторы событий (сигнальные табло, мнемосхемные и т. п.).

Современные агрегатированные комплексы, предназначенные для использования в АСУТП, имеют разнообразные технические средства измерения и представления информации.

По наличию в измерительных приборах различных дополнительных выходных устройств, предназначенных для связи со средствами представления информации, со средствами выработки команд управления и со средствами воздействия на объект регулирования, различают следующие модификации приборов:

с задающими устройствами, вырабатывающими сигнал, пропорциональный разнице между заданным и действительным значением параметра;

с регулирующими устройствами, вырабатывающими электрический или пневматический сигнал по типовому закону регулирования, действующий на исполнительные устройства систем регулирования.

По количеству одноименных измеряемых параметров показывающие измерительные приборы подразделяют на одно- и многоканальные, по количеству регистрируемых — на одно- и многоточечные. Приборы с разноименными измеряемыми параметрами, имеющие несколько шкал и указателей, называют многошкальными.

В общем случае в зависимости от выполняемых функций во вторичном приборе могут быть выделены следующие основные элементы: входная измерительная схема, усилительно-преобразующее устройство, индицирующее устройство (указатель), устройство записи и дополнительные выходные устройства.

Контроль и управление объектами в АСУТП происходит путем передачи на определенные расстояния измерительной и командной информации.

Передача информации на место ее потребления должна быть осуществлена с минимальными искажениями (потерей) информации и с максимальным быстродействием (скоростью) при экономически целесообразных затратах.

В зависимости от расстояния различают дистанционный и телемеханический способы передачи информации.

При дистанционном способе, применяемом для небольших расстояний (десятки метров - для гидравлических, сотни метров - для пневматических, несколько километров - для электрических сигналов), специальные средства и методы передачи сигналов не применяют.

В дистанционных системах контроля и управления сигналы передаются обычно в аналоговом виде по обычным индивидуальным каналам связи (многопроводным - для электрических и многотрубным - для пневмо- и гидравлических сигналов). Однако с увеличением расстояния передачи возникают все большие искажения информации, падает быстродействие и возрастает стоимость из-за увеличения стоимости линий связи (кабелей, проводов, импульсных трубок).

Для увеличения дальностей и скорости передачи информации и для снижения ее стоимости применяют специальные средства и способы телемеханики.

Телемеханические системы в зависимости от выполняемых функций подразделяют на системы телеизмерения (ТИ), телесигнализации (ТС), телеуправления (ТУ) и телерегулирования (ТР). Большинство технических средств и способов телемеханики являются общими для всех этих систем.

В телемеханической системе ТИ и ТС можно выделить два комплекта аппаратуры: передающий и приемный, соединенные между собой линией связи. Структурная схема телемеханической информационной системы показана на рисунок 14.

Рисунок 14 - Структурная схема телемеханической информационной системы

В передающем комплекте сигналы об измеряемых параметрах Х₁, Х₂, …, Х_n с измерительных преобразователей 1 (датчиков) поступают на коммутирующее устройство 2, далее на шифратор 3 и в линию связи. По линии связи сигналы поступают в приемный комплект, где дешифруются в дешифраторе 4 и с помощь коммутатора 5 распределяются на устройства измерения и представления информации 6.

Следует отличать канал связи и линию связи.

Каналом связи называется совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений по линии связи от одного источника информации к одному приемнику. Канал связи образуется за счет определенных средств и способов передачи сигналов на одной и той же линии связи может быть несколько каналов связи.

В качестве линий связи используют проводные линии связи, линии электропередач и радиолинии для электрических сигналов и импульсные трубки для пневматических сигналов.

В зависимости от вида сигнала и способа его преобразования телемеханические системы подразделяют на системы с сигналами интенсивности, с модулированными сигналами и с цифровыми и нецифровыми кодированными сигналами.

Если использование токовых сигналов в системах интенсивности позволяет увеличить дальность передачи сигналов до нескольких километров, то использование частотных и импульсных сигналов позволяет передавать сигналы на сотни и тысячи километров, а контроль и управление подвижных объектов (например, самосвалов на карьерах) возможен только по частотным радиоканалам.

Использование импульсных сигналов в пневматических система позволяет увеличить максимальную дальность передачи сигналов с 300 м до одного километра.

Коммутаторы предназначены для разделения сигналов как по времени, так и по различным местным цепям. Они производят поочередное подключение к линии связи источников и приемников сигналов.

При наличии коммутаторов на передающем и приемном комплекта производится синхронное (во времени) подключение к линии связи соответствующих друг другу источников и приемников сигналов.

В телемеханических системах с модуляцией сигналов и в кодоимпульсных системах необходимым элементом являются прямые преобразователи-шифраторы сигналов и обратные преобразователи-дешифраторы. В прямых преобразователях происходи преобразование измеренной величины в импульсные или непрерывные частотные (обычно синусоидальные) сигналы. На вход прямых преобразователей непрерывный сигнал поступает обычно в виде механического перемещения, электрического напряжения или давления пневматического сигнала.

28