Рис. 2. Схемы управления:

а – разомкнутая; б – разомкнутая по отклонению; в – замкнутая; г – комбинированная; д – самонастраивающаяся; Р – регулятор; ОУ – объект управления; ЭС – элемент сравнения; УАВ – устройство анализа задающего воздействия: ВУ – вычислительное устройство; ИУ – исполнительное устройство; АУУ – автоматическое управляющее устройство; УАО – устройство анализа объекта управления

В системах с самонастройкой параметров при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (не по заранее заданной программе) изменение варьируемых параметров управляющего устройства с целью обеспечения устойчивой работы системы и поддержания регулируемой величины на заданном или оптимальном уровне.

В системах с самонастройкой структуры при изменении внешних условий и характеристик объекта управления происходит переключение элементов в схеме соединений или введение в нее новых элементов. Целью таких изменений (отбора) структуры является достижение лучшего решения задачи управления. Отбор структуры осуществляется путем автоматического поиска с применением вычислительных и логических операций. Такие системы должны не только приспосабливаться ко всем изменениям внешних условий и характеристик объекта, но и функционировать нормально даже при наличии неполадок или отказов отдельных элементов, создавая новые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структуры можно заставить самосовершенствоваться, «приобретать опыт» путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и «запоминания» лучшего из них.

Согласно классификации по функциональному признаку все автоматические системы управления подразделяют на четыре класса: системы для координации работы механизмов; системы регулирования параметров технологических процессов; системы автоматического контроля; системы автоматической защиты и блокировки.

Системы, предназначенные для координации работы отдельных механизмов установки или установки в целом, являются системами автоматического жесткого управления (САЖУ). Системы автоматического регулирования (САР) технологических процессов обеспечивают поддержание регулируемой величины на заданном уровне или изменение ее по заданной программе. Системы автоматического контроля (САК) содержат средства и методы для получения информации о текущих значениях параметров технологических процессов (температуры, давления, запыленности или загазованности воздуха и др.) без непосредственного участия человека. Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ) предотвращают возникновение аварийных ситуаций в работе оборудования при установившемся режиме.

3. Элементы автоматических систем

Любая автоматическая система состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами или средствами автоматики. С точки зрения функциональных задач, выполняемых элементами в системе, их можно разделить на воспринимающие, задающие, сравнивающие, преобразующие, исполнительные и корректирующие.

Воспринимающие элементы или первичные преобразователи (датчики) измеряют управляемые величины технологических процессов и преобразовывают их из одной физической формы в другую (например, термоэлектрический термометр преобразует разность температур в термоЭДС).

Задающие, элементы (элементы настройки) служат для задания требуемого значения регулируемой величины Х₀; именно этому значению должно соответствовать ее действительное значение

Сравнивающие элементы сопоставляют заданное значение управляемой величины Х₀ с действительным значением X. Получаемый на выходе сравнивающего элемента сигнал рассогласования Х = Х₀ – X передается либо через усилитель, либо непосредственно на исполнительный элемент.

Преобразующие элементы осуществляют необходимые преобразования сигнала и его усиление в магнитных, электронных, полупроводниковых и других усилителях, когда мощность сигналов недостаточна для дальнейшего использования.

Исполнительные, элементы создают управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют количество энергии или вещества, подводимой к объекту управления или отводимой от него, для того чтобы управляемая величина соответствовала заданному значению.

Корректирующие элементы служат для улучшения качества процесса управления.

Кроме основных элементов в автоматических системах имеются и вспомогательные, к числу которых относятся переключающие устройства и элементы защиты, резисторы, конденсаторы и аппаратура сигнализации.

Все элементы автоматики независимо от их назначения обладают определенной совокупностью характеристик и параметров, которые определяют их эксплуатационные и технологические особенности.

Основной из главных характеристик является статическая характеристика элемента. Она представляет собой зависимость выходной величины Х_вых от входной Х_вх в установившемся режиме, т. е. Х_вых = f (Х_вх). В зависимости от влияния знака входной величины различают нереверсивные (когда знак выходной величины во всем диапазоне изменения остается постоянным) и реверсивные статические характеристики (когда изменение знака входной величины приводит к изменению знака выходной величины).

Динамическая характеристика используется для оценки работы элемента в динамическом режиме, т. е. при быстрых изменениях входной величины. Ее задают переходной характеристикой, передаточной функцией, частотными характеристиками. Переходная характеристика представляет собой зависимость выходной величины Х_вых от времени : Х_вых = f () – при скачкообразном изменении входного сигнала Х_вх (см. гл. 2).

Коэффициент передачи можно определить по статической характеристике элемента. Различают три вида коэффициентов передачи: статический, динамический (дифференциальный) и относительный.

Статический коэффициент передачи К_ст представляет собой отношение выходной величины Х_вых к входной Х_вх, т. е. К_ст = Х_вых/Х_вх. Коэффициент передачи иногда называют коэффициентом преобразования. Применительно к конкретным конструктивным элементам статический коэффициент передачи называют также коэффициентом усиления (в усилителях), коэффициентом редукции (в редукторах), коэффициентом трансформации (в трансформаторах) и т. д.

Для элементов с нелинейной характеристикой используют динамический (дифференциальный) коэффициент передачи К_д, т. е. К_д – ∆Х_вых/∆Х_вх.

3. Индуктивные первичные преобразователи

Индуктивные преобразователи применяют для преобразования малых линейных или угловых перемещений в электрические сигналы. Принцип их действия основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки от изменения зазора в магнитопроводе, от перемещения магнитопровода в катушке или от изменения площади зазора.

Индуктивный преобразователь с подвижным якорем (изменяющимся зазором) представляет собой катушку индуктивности 3 с магнитопроводом 2 и подвижным якорем 1 (рис. 5, а). Катушка индуктивности с магнитопроводом, называемая статором, закрепляется неподвижно, а якорь механически соединяется с подвижной частью объекта управления, перемещение которого необходимо преобразовать в электрический сигнал. Перемещение якоря изменяет воздушный зазор 6 (входная величина преобразователя), вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки и, как следствие этого, выходной величины тока I при постоянном напряжении и₀.

Чувствительность индуктивных преобразователей с изменяющимся воздушным зазором уменьшается с увеличением зазора 6, поэтому их используют для измерения и контроля очень малых перемещений (до 2 мм). В таком диапазоне рабочих перемещений их чувствительность не превышает 2 мкм.

Индуктивные преобразователи с перемещающимся магнитопроводом (рис. 5, б) способны измерять большие перемещения (до 50 мм).

Рис. 5. Индуктивные преобразователи:

а – с подвижным якорем; б – с перемещающимся сердечником; в – с изменяющейся площадью зазора; г – дифференциальный

У индуктивных преобразователей с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 5, в) статическая характеристика линейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индуктивным. Диапазоны перемещения якоря больше (до 8 мм), чем у преобразователей с изменяющимся воздушным зазором, однако чувствительность ниже.

Все перечисленные выше виды индуктивных преобразователей обладают высокой надежностью, имеют практически неограниченный срок службы и большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт). К недостаткам можно отнести нереверсивность статической характеристики, небольшой диапазон перемещения якоря, наличие тока холостого хода и влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки практически полностью отсутствуют у дифференциальных индуктивных преобразователей.

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 5, г) имеет два статора 2 с катушками индуктивности 3 и один подвижный якорь 1. При отклонении якоря от среднего положения происходит изменение индуктивного сопротивления обеих катушек и на выходе преобразователя появляется напряжение U_н. Катушки индуктивности включаются либо в дифференциальную измерительную схему, либо как смежные плечи мостовой измерительной схемы.

Дифференциальные индуктивные преобразователи по сравнению с ранее рассмотренными конструкциями обладают более высокими точностью и чувствительностью. Их статическая характеристика линейна и реверсивная. Поэтому они получили наибольшее распространение.

Трансформаторные преобразователи являются разновидностью индуктивных. Они представляют собой трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации за счет изменения коэффициента взаимоиндуктивности между обмотками. Трансформаторные преобразователи применяют для преобразования небольших линейных и угловых перемещений в электрический сигнал (напряжение переменного тока).

Первичная обмотка 2 (рис. 6) дифференциального трансформаторного преобразователя с угловым перемещением якоря намотана на центральном стержне 1 магнитопровода, а две совершенно одинаковые вторичные обмотки 3 располагаются на крайних стержнях. Они соединены последовательно и имеют встречную намотку. При симметричном положении якоря 4 по отношению к стержню 1 во вторичных обмотках будут индуцироваться одинаковые по значению и противоположные по фазе ЭДС, а напряжение на выходе преобразователя будет равно нулю. При повороте якоря, механически связанного с подвижной частью объекта управления, изменяется значение магнитных потоков и в соответствии с этим значение ЭДС, т. е. на выходе появляется напряжение, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС вторичных обмоток. Статическая характеристика рассмотренного преобразователя линейна и реверсивна. Реверсивность означает изменение в знаке выходного сигнала при изменении знака входного сигнала. Чувствительность преобразователя в 2 раза выше чувствительности обычных индуктивных преобразователей.

2. Потенциометрические первичные преобразователи

Потенциометрический преобразователь преобразует перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в постоянный или переменный ток вследствие изменения своего электрического сопротивления. Различают преобразователи с угловым (рис. 4, а) и линейным (рис. 4, б) перемещением подвижного контакта. Потенциометрический преобразователь состоит из реохорда 2 и подвижного контакта 1. При различных положениях подвижного контакта сопротивление между ним и точкой В изменяется, что вызывает изменение напряжения U₀, подаваемого от источника питания на клеммы измерительного прибора.

Рис. 4. Потенциометрические преобразователи:

а – с угловым перемещением контакта; б – с линейным перемещением контакта; в – включенный по схеме делителя напряжения

Реохорд датчика представляет собой каркас из изоляционного материала с намотанным на него в один ряд проводом. Для намотки используют проволоку без изоляции из константана, нихрома, фехраля и других сплавов с высоким омическим сопротивлением. По поверхности намотки скользит подвижный контакт.

В зависимости от конструкции реохорда различают два типа потенциометрических преобразователей: линейные и функциональные.

Линейные потенциометрические преобразователи имеют постоянные сечения каркаса, диаметр проволоки и шаг намотки.

Напряжение питания и длина намотки являются постоянными величинами, поэтому выходные напряжения прямо пропорциональны значению перемещения подвижного контакта.

Функциональные потенциометрические преобразователи обладают нелинейной характеристикой, что обеспечивается намоткой проволоки на каркасы с переменным сечением. Такой преобразователь представляет собой как бы несколько включенных последовательно линейных преобразователей. Нелинейность характеристики может быть достигнута также путем шунтирования резисторами отдельных участков намотки линейных потенциометрических преобразователей. Если у линейного потенциометрического преобразователя сделать отвод от середины обмотки, то он будет характеризовать наряду со значением перемещения движка и его направление.

Потенциометрические преобразователи могут включаться по схеме реостата (рис. 4, а и б) или потенциометра (рис. 4, в) (делителя напряжения). В зависимости от схемы включения перемещение подвижного контакта преобразуется в изменение тока (при последовательном соединении) или напряжения (при включении по схеме делителя). Первая схема применяется довольно редко, так как она не обеспечивает достаточной точности преобразования, на величину которой оказывают влияние сопротивление соединительных проводов и переходного сопротивления между контактом и обмоткой реохорда.

Потенциометрические преобразователи выполняют с 20%‑ной или 100%‑ной зоной пропорциональности. Последние получили большее распространение, так как они охватывают всю шкалу измерительного прибора.

К недостаткам потенциометрических преобразователей можно отнести наличие подвижного контакта и трудности получения линейной характеристики. Однако простота конструкции и возможность отказа от усилителя компенсируют отмеченные недостатки. Потенциометрические преобразователи получили широкое распространение в схемах автоматики для преобразования механических перемещений. В литейном производстве они могут быть использованы для определения высоты встряхивания на встряхивающих формовочных машинах.

Глава 2. Первичные преобразователи

1. Общие сведения и классификация первичных преобразователей

Первичным преобразователем (датчиком) называют элемент, который устанавливают в технологическое оборудование и который первым воспринимает контролируемый параметр. Он преобразует измеряемые физические величины в сигналы, удобные для дальнейшей передачи в измерительные или управляющие устройства. В литейном и термическом цехах применяют те же первичные преобразователи, что и в других отраслях промышленности, поскольку измеряемыми параметрами являются температура, давление, расход, уровень, загазованность, запыленность и др.

К числу основных признаков, позволяющих классифицировать первичные преобразователи, относятся принцип действия и вид входного и выходного сигналов (рис. 3).

В зависимости от принципа действия первичные преобразователи можно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Параметрические преобразователи преобразуют контролируемую величину в один из параметров электрической цепи: проводимость (сопротивление), индуктивность, емкость. Следовательно, для их работы необходимо подводить от внешнего источника электрическую энергию. К параметрическим относят следующие типы преобразователей: потенциометрические, индуктивные, емкостные, тензометрические и др.

Рис. 3. Классификация первичных преобразователей

В генераторных преобразователях непосредственно преобразуется неэлектрическая энергия входного сигнала в электрическую энергию, значение которой пропорционально значению контролируемого параметра. К генераторным относятся термоэлектрические (термопары), фотоэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические преобразователи. Они работают автономно, т. е. не нуждаются в подводе внешней электроэнергии.

По виду входного сигнала первичные преобразователи делятся на следующие группы: температуры, давления, разрежения, расхода, уровня, состава и влажности веществ, плотности, перемещения, скорости, ускорения и т. д.

По виду выходного сигнала первичные преобразователи подразделяют на несколько групп. Одна группа преобразует контролируемую величину в изменение активного сопротивления, другая – в изменение емкости, третья – в изменение индуктивности и т. д.

Любой первичный преобразователь состоит из отдельных частей. Основной частью является чувствительный элемент, а средства защиты и крепления его относятся к вспомогательным элементам.

В 1960 г. в Советском Союзе начали разрабатывать и внедрять новую систему приборов, названную «Государственной системой приборов (ГСП)». Основными принципами этой системы являются применение унифицированных сигналов и модульное построение преобразователей, приборов и регуляторов. В соответствии с требованиями ГСП первичные преобразователи, применяемые для автоматизации технологических процессов на промышленных предприятиях, должны выдавать стандартные сигналы. Так, например, первичные преобразователи, выходным сигналом которых является напряжение или сила электрического тока, должны отвечать рядам напряжения: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 5; 10; 20 В и силе тока: 1; 2; 5; 10; 20 мА. Такая унификация необходима при использовании преобразователей в автоматизированных системах управления технологическим процессом (АСУ ТП) с управляющими цифровыми ЭВМ. В этой главе будет описана конструкция и показана область применения потенциометрических, индуктивных, электромагнитных, емкостных, тензометрических и фотоэлектрических преобразователей, имеющих наибольшее распространение в системах автоматики. Другие типы первичных преобразователей (температуры, давления, расхода, количества, уровня, состава и влажности газа, влажности сыпучих материалов и плотности жидкости) будут рассмотрены в разделе II.