5

2. Электрические и электронные средства автоматизации

2.1 Датчики и измерительные преобразователи для измерения температуры

2.2 Датчики перемещения

3. Приборы для измерения давления

4. Приборы для измерения и контроля расхода

2.5 Приборы для измерения и состава веществ

2.6 Приборы для измерения и контроля массы

7. Приборы для измерения и контроля уровня

8. Электрические датчики-реле

Устройства получения информации о состоянии управляемых процессов образуют первую функциональную группу устройств. Функциональные и эксплуатационные возможности устройств этой группы играют ключевую роль в разработке информационной, функциональной и алгоритмической структур системы управления. Специалист в области автоматизации должен хорошо ориентироваться в принципах действия устройств этой группы, номенклатуре выпускаемых изделий, уметь выявлять и устранять неисправности.

Цель главы – ознакомление с основными принципами действия устройств получения информации о состоянии технологического процесса. После изучения главы необходимо знать

• принципы действия датчиков физических величин характеризующих состояние технологического процесса,

• назначение и принципы действия измерительных преобразователей,

• назначение и принципы действия нормирующих преобразователей

• основные характеристики устройств для получения информации об основных параметрах технологического процесса ,

• области применения устройств.

Для построения систем автоматического управления используются устройства сбора и преобразования информации о ходе технологического процесса, регулирующе-управляющие устройства и исполнительные устройства. К устройствам, предназначенным для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролируемых и управляемых параметрах технологических процессов, относят чувствительные элементы или собственно датчики, измерительные преобразователи и нормирующие преобразователи. К группе средств сбора информации относятся все релейные преобразователи, выдающие дискретные сигналы, а также устройства формирования алфавитно-цифровой информации. Датчики физических величин воспринимают контролируемую величину и преобразуют его в величину, удобную для передачи по каналам связи или дальнейшего преобразования. Например, термосопротивление преобразует температуру в величину сопротивления.

Измерительные преобразователи переводят выходной сигнал датчиков в выходную физическую величину: перемещение, усилие, напряжение, ток, частоту. Измерительные преобразователи и чувствительные элементы часто представляют собой единое изделие и называются первичными измерительными преобразователями. Нормирующие преобразователи переводят выходной сигнал измерительных преобразователей в унифицированный сигнал (нормируют). Часто измерительный и нормирующий преобразователи объединяются конструктивно в один прибор.

Электрические датчики можно разделить на две большие группы: параметрические и генераторные (или датчики ЭДС). Параметрические датчики служат для преобразования неэлектрического контролируемого параметра в параметры электрической цепи (R, L, С). Эти датчики получают электрическую энергию от вспомогательного источника энергии. Параметрические датчики делятся на:

• датчики активного сопротивления (контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, терморезисторы) и

• реактивного сопротивления (индуктивные, емкостные).

Генераторные датчики предназначены для преобразования неэлектрического контролируемого параметра в ЭДС, Эти датчики не требуют постоянного источника энергии, так как: сами являются источниками ЭДС (термоэлектрическими, пьезоэлектрическими и тахометрическими).

Основными характеристиками устройств получения информации являются:

• статическая характеристика - зависимость выходного сигнала от измеряемой величины в установившемся состоянии, обычно линейная;

• динамическая характеристика, определяющая поведение датчика при изменениях входной величины, описываемая передаточной функцией, дифференцальным уравнением, амплитудно-фазо-частотной характеристикой;

• чувствительность – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины;

• порог чувствительности - минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала или значение входной величины равное основной погрешности;

• основная погрешность - максимальная разность между получаемой в нормальных условиях эксплуатации величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемой по статической характеристике для данной величины входного сигнала;

• выходная или коммутируемая мощность;

• входное сопротивление.

Используемые в измерительных преобразователях принципы измерения и, соответственно, схема преобразователя определяется в основном используемым чувствительным элементом. Однако элементарные преобразователи обычно не обеспечивают требуемых метрологических характеристик. Поэтому в промышленных преобразователях и измерительных приборах применяют блочный принцип построения из комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи, корректирующих элементов и усилителей сигналов.

Измерение неэлектрических величин имеет свои особенности. Для того чтобы неэлектрическую величину можно было измерить электрическим прибором, необходимо эту измеряемую величину преобразовать в пропорциональный ей ток или напряжение. Для этого используются измерительные преобразователи. Измерение неэлектрических величин, так же как и измерение электрических величин, можно, проводить методом прямого преобразования или использовать компенсационный метод измерения.

При использовании метода прямого преобразования в измерительном преобразователе происходит преобразование измеряемой неэлектрической величины в электрическую, которая при необходимости, может быть усилена и еще несколько раз преобразована. Затем эта электрическая величина поступает на измеритель-регистратор, например, стрелочный прибор. В этом случае на погрешность измерения величины будут сказываться погрешности всех последовательно включенных элементов. Для уменьшения этих погрешностей можно использовать метод сравнения.

При реализации метода сравнения в приборе используют два одинаковых преобразователя, один из которых преобразует измеряемую величину, другой - опорную (контрольную) величину того же рода (рис.2.1). После преобразования неэлектрических величин в электрические определяется разность выходных сигналов преобразователей, которая далее может быть усилена и преобразована. Эта разность (сигнал рассогласования) является мерой отклонения измеряемой величины от эталонной. В этом случае при измерениях исключаются лишь дополнительные погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов на преобразов атели.

Изменяя опорную (образцовую) величину можно получить нулевой сигнал рассогласования. Тогда измеряемая величина будет равна опорной, эталонной величине. В этом случае при измерениях практически исключается и погрешность измерителя. Остаются только погрешности преобразователей. Примером такого метода может служить мостовая схема измерения температуры с помощью терморезисторов, которая может работать в равновесном (нулевом) или неравновесном режиме.

Уменьшение погрешностей можно достичь с помощью компенсационного метода преобразования основанного на применении отрицательной обратной связи (ООС). Отрицательная обратная связь может быть применена как по электрическому сигналу в измерительной цепи, так и по измеряемой величине.

Структурная схема прибора с ООС по электрическому сигналу изображена на рис.2.2. Здесь на вход усилителя поступает сигнал рассогласования равный разности преобразованной входной величины и сигнала обратной связи, поступающего через компенсационную цепь. Обратная связь существенно уменьшает величину DU при достаточно больших коэффициентах передачи усилителя и компенсационной цепи. Мерой измеряемой неэлектрической величины является величина, воздействующая на компенсационную цепь.

В этом случае общая погрешность измерения складывается из погрешности измерительного преобразователя, измерительной и компенсационной цепей. Исключение погрешностей этих погрешностей может быть достигнуто в компенсационных приборах с компенсацией измеряемой неэлектрической величины (рис. 2.3.).

В этой схеме для реализации обратной связи по входной величине используется преобразователь электрической величины в неэлектрическую, однородную с измеряемой входной величиной. Их разность после преобразования в электрическую величину и усиления поступает на регулирующее устройство, которое вырабатывает регулирующее воздействие поступающее на далее на измеритель и преобразователь электрической величины в неэлектрическую. Таким образом, компенсируется измеряемая неэлектрическая величина. При малой величине недокомпенсации погрешность всех преобразующих звеньев практически исключается. Общая погрешность измерения складывается только из погрешностей измерителя и обратного преобразователя. При этом выигрыш в точности может быть получен лишь в том случае, когда погрешность обратного преобразователя будет меньше погрешности прямого преобразователя.

В приборах для измерения неэлектрической величины для увеличения чувствительности необходимо стремиться к увеличению чувствительности отдельных звеньев схемы. При этом, увеличивая чувствительность преобразователя к измеряемой величине, необходимо стремиться к уменьшению чувствительности к внешним дополнительным факторам (колебание питающего напряжения, частоты, внешней окружающей температуры и т. д.). Увеличение чувствительно­сти к дополнительным факторам ведет к появлению дополнительных по­грешностей прибора. Заметим, что для увеличения чувствительности прибора необходимо обеспечить согласования параметров отдельных звеньев.

Компенсационный принцип измерения используется, например, в рассматриваемых ниже приборах для измерения температуры: автоматических потенциометрах и автоматических мостах.