Тема 1.3 Основные характеристики элементов систем автоматики

 

Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов. Каждый элемент имеет свои физические свойства, которые определяются рядом характеристик и параметров.

В зависимости от характеристик элементов вся система также будет обладать своей характеристикой. Поэтому, зная характеристики отдельных элементов системы, мы сможем представить, как будет работать данная система.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени входной и выходной величинах называют статическим (установившимся) режимом, т.е. в этом режиме:

Х_вх (t) = const; Х_вых (t) = const

 

Функциональная зависимость Х_вх от Х_вых в установившемся режиме называется статической характеристикой

Х_вых = f (Х_вх)

 

Для элементов автоматики основным является режим работы, при котором Х_вх и Х_вых не остаются постоянными. Такой режим работы называется динамическим.

Процесс перехода из одного установившегося состояния в другое установившееся состояние называется переходным процессом. Он является частным случаем динамического режима.

Для оценки работы системы автоматики в переходом процессе служат динамические характеристики:

Переходная характеристика – это временнаяхарактеристика, показывающая изменение во времени выходной величины Х_вых, вызванное подачей на вход системы автоматики единичного скачка Х_вх. Единичным скачком Х_вх называется изменение входной величины, например на 1⁰, 1А. 1м.

Эта характеристика дает возможность определить, как поведет себя система автоматики (элемент) при любом воздействии на ее вход.

 

Передаточная характеристика показывает зависимость изменения во времени выходной величины (Х_вых) от входной величины (Х_вх) в переходном режиме принулевых начальных условиях. Нулевые начальные условия – перед началом работы все параметры системы равны нулю.

Х_вых (t) = f (Х_вх (t)

 

Частотные характеристики – показывает изменение входной величины Х_вых при изменении частоты входного сигнала Х_вх. Различают амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

Х_вых = f (ω)

 

Коэффициент передачи элемента – представляет собой отношение выходной величины Х_вых элемента к входной величине Х_вх. В зависимости от режима работы, в котором определяется коэффициент передачи элемента, различают:

 

Статический коэффициент передачи К_ст = Х_вых / Х_вх

 

Динамический коэффициент передачи – показывает во сколько раз приращение выходного сигнала Δ Х_вых увеличится или уменьшится при приращении входного сигнала Δ Х_вх

К_дин = Δ Х_вх / Δ Х_вых

Относительный коэффициент передачи показывает отношение относительного приращения выходного сигнала Х_вых к относительному приращению входного сигнала Х_вх

К_отн = (Δ Х_вых / Х_вых) / (Δ Х_вх / Х_вх)

Порог чувствительности это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной чувствительности.

 

 

Тема 1.4 Датчики

 

В системах автоматики датчик предназначен для измерения и преобразования контролируемой или регулируемой величины объекта в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего движения информации, ее хранения и обработки.

Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями.

Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики.

Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования.

 

Классификация датчиков

 

В зависимости от принципа действия датчики делятся на:

- параметрические (модуляторы);

- генераторные

 

По виду входного сигнала различают датчики:

- уровня;

- давления;

- температуры;

- скорости и т.п.

 

По виду входного сигнала датчики могут быть:

- аналоговыми;

- дискретными;

- линейными;

- нелинейными

 

Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого датчика (R, L, C и т.п.)

Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника энергии.

Аналоговые датчики это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым.

У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.)

Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально изменению входной величины.

Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно изменению входной величины.

 

 

Схемы включения датчиков

Для подключения датчиков в системы автоматики используются следующие виды схем:

- мостовая;

- компенсационная;

- дифференциальная

 

 

Мостовая схема включения датчиков (с.1, рис2)

 

Схема используется для преобразования изменения параметров датчика (R, L, C) в изменение тока или напряжения в цепи.

Мостовой называется схема, которая состоит из четырех и более плеч (Z1, Z2, Z3, Z4) и двух диагоналей – питания (ac) и измерительной (bd).

Если Z1 * Z3 = Z2 * Z4, то мостовая схема называется уравновешенной и ток по измерительной диагонали не течет (РА = 0). Если равенство не выполняется, то по измерительной диагонали протекает ток.

Датчик устанавливается в одно из плеч мостовой схемы (например, Z1).

В системах автоматики применяют два вида мостовых схем включения датчиков:

- балансная (равновесная);

- небалансная (неравновесная)

 

Балансная схема предусматривает нулевой метод измерения – по измерительной диагонали ток не течет. Такая схема чаще применяется в системах управления, т.к. при изменении параметра датчика (Z1) необходимо изменить сопротивление любого из плеч, чтобы ток в измерительной цепи не протекал.

Неравновесная схема – это такая схема, у которой при изменении параметра датчика по измерительной диагонали течет ток, величина которого пропорциональна этому изменению. Такие схемы часто применяются в схемах автоматического контроля (без обратной связи).

 

 

Компенсационная схема (с.1, рис.4)

 

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую эдс (или напряжение), поступающую от датчика, уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, значение которого известно с высокой точностью.

 

 

Работа схемы:

Исследуемое напряжение (с датчика) подается на вход схемы U_х. С реохорда снимается напряжение U_о, которое равно падению напряжения на реохорде R_о и зависит от положения щетки реохорда.

Подвижная система гальванометра (PG) имеет вместо стрелки контакт SA, который при появлении тока в гальванометре и в зависимости от его направления замыкается вверх или вниз. При этом включается электродвигатель М и соответственно перемещает движок реохорда R_о до тех пор, пока сила тока в гальванометре не станет равной нулю. Контакты SA установятся в среднее положение, двигатель остановиться и движок реохорда останется в положении, соответствующем условию компенсации U_х = U_о до тех пор, пока U_х не изменит своего значения.

Движок реохорда можно соединить с указателем, показывающим на шкале прибора значение U_х, или с пером самопишущего прибора, а иногда, и одновременно с тем и другим.

 

Дифференциальная схема (с.1, рис.3)

 

Схема представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельная эдс. Измерительный прибор Р включен в общую для обоих контуров цепь и реагирует на разность контурных токов.

В автоматических системах могут быть использованы следующие режимы работы дифференциальных схем:

а) при неизменных сопротивлениях обоих контуров одна из Е изменяется на величину ΔЕ

б) при неизменных сопротивлениях обоих контуров обе Е₁ и Е₂ изменяются на величину ΔЕ;

в) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяется сопротивление Z одного из контуров;

г) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяются сопротивления Z₁ и Z₂ обоих контуров.

 

Достоинство этих схем: чувствительность по току при большом сопротивлении выше, чем у мостовой схемы.

 

Потенциометрические датчики ( с.2, рис.6 и 7)

 

Преобразуют перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в изменение электрического сопротивления самого датчика (рис.6)

Различают датчики:

- с угловым перемещением (кольцевые и секторные) – рис.6б и 6в;

- с линейным перемещением (прямоугольные) – 7а.

В зависимости от конструкции реохорда датчики могут быть:

- линейными – выходная величина датчика пропорциональна входной величине, т.к. сечение каркаса датчика, диаметр проволоки, шаг намотки одинаковы по всей длине;

- функциональными – обладают нелинейной характеристикой, т.к. каркас, шаг намотки или диаметр проволоки по длине датчика не одинаковы (с.8, рис. 59).

 

Недостатки датчиков:

- наличие подвижного контакта;

- трудность получения линейной характеристики;

- наличие вспомогательного источника питания.

 

Достоинства:

- простая конструкция;

- не требует усиления сигнала на выходе датчика.

 

 

Индуктивные датчики (с.2, рис.8)

 

Принцип действия индуктивных датчиков основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки индуктивности от:

- изменения зазора в магнитопроводе (рис.8а) – перемещение до 2мм;

- перемещения магнитопровода в катушке (рис. 8б) – перемещение до 50мм;

- изменения площади зазора между катушкой и сердечником (рис.8в) – перемещение до 8мм.

 

Достоинства:

- неограниченный срок службы;

- большая мощность выходного сигнала;

- высокая надежность;

- отсутствие подвижных контактов.

 

Недостатки:

- небольшой диапазон перемещения;

- наличие холостого тока;

- влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания;

- наличие вспомогательного источника питания.

 

Трансформаторный датчик (индуктивный преобразователь)

 

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность и поэтому они относятся к группе индуктивных датчиков.

Катушка датчика (с.2, рис 9) изготовлена в виде рамки, пронизываемой переменным магнитным потоком, который создается обмоткой возбуждения, подключенной к источнику стабилизированного напряжения стандартной частоты. При повороте катушки изменяется значение пронизывающего ее магнитного потока, а, следовательно, и индуктированной эдс. С помощью формы полюсных наконечников можно получить прямолинейную статическую характеристику при повороте рамки на ±70^о. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки показывающего прибора, можно преобразовать поворот рамки в показания прибора.

 

Индуктивные датчики применяются в системах автоматики и телемеханики для измерения линейных и угловых перемещений.

 

Емкостные датчики ( с. 2, рис. 10)

 

Служат для преобразования неэлектрической величины

- перемещение;

- влажность;

- уровень вещества;

- усилие и т.п.

 

в изменение электрической емкости.

Чувствительным элементом является конденсатор, у которого при воздействии измеряемого параметра изменяется:

С =ξs/d

 

а) расстояние между пластинами (d);

б) рабочая площадь пластин (s);

в) диэлектрическая проницаемость среды между обкладками (ξ)

 

Достоинства:

- простые по устройству;

- имеют малые размеры и массу;

- обладают высокой чувствительностью

 

Недостатки:

- малая мощность выходного сигнала;

- влияние внешних магнитных полей;

- необходимость высокочастотного источника питания, т.к. на низких частотах нельзя получить выходной сигнал большой мощности.

 

Тензометрические датчики (с.3, рис.20)

 

Работа тензометрического датчика основана на изменении электрического сопротивления проводников при их растяжении или сжатии.

R = ρl/s

В зависимости от материала чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на:

- проволочные;

- фольговые;

- полупроводниковые.

 

Проволочные тензодатчики изготавливаются в виде проволоки из нихрома, фехраля, константана диаметром 0,015 – 0.05 мм

Достоинства:

- простые по конструкции;

- дешевые;

- имеют линейную статическую характеристику;

- малый вес;

 

Недостатки:

- низкая чувствительность;

- подвержены влиянию влаги и температуры;

 

 

Фольговые тензодатчики изготавливаются из фольги шириной 4 – 12 мм, вырезанной из константана, нихрома или золото – серебряных сплавов.

 

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- высокая точность;

- хороший механический контакт;

- возможность пропустить большой ток.

 

 

Полупроводниковые тензометрические датчики изготавливаются из германия, кремния, галия и т.п. В этих датчиках при изменении сопротивления изменяется их удельная проводимость.

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- большая мощность выходного сигнала.

Недостатки:

- большой разброс параметров (трудно сделать датчики с одинаковыми параметрами);

- хрупкие.

 

Все тензометрические датчики помещены в специальные пакеты, чаще из бумаги и во время опыта приклеиваются на испытуемый образец.

Такие датчики обладают одним общим недостатком - одноразовые, т.к. после растяжения или сжатия не возвращают прежние характеристики.

Применение:

- для контроля за деформациями и напряжениями при статических и динамических нагрузках;

- для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на поверхности механизмов при их механической нагрузке.

 

 

Датчики давления (с. 5, рис.11, 13)

 

Гидро- и пневмодатчики (рис.11)

а) при увеличении давления Р мембрана прогибается и перемещает щетку потенциометра.

б) при увеличении давления Р сильфон раздувается и перемещает щетку потенциометра.

в) при увеличении давления сильфон сжимается и перемещает движок потенциометра.

 

Пьезоэлектрический датчик состоит из кварцевой пластины (1) и электродов (2). При увеличении силы сжатия Р на кварцевые пластины на электродах появляется электрический заряд, который может быть измерен прибором.

 

 

Фотоэлектрические датчики (с.3, рис. 25)

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т.е. они реагируют на изменение светового потока.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают следующие фотоэлементы: с внешним фотоэффектом; с внутренним фотоэффектом, с запирающим слоем.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 25 а, с.3) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 имеет светочувствительный слой (цезий или сплав сурьмы с цезием), анод 2 выполнен в виде кольца или пластины. Под действием световой энергии с поверхности катода выбиваются электроны. Внутри лампа заполнена газом - аргоном, который ионизируется под ударами летящих электронов и увеличивает за счет своих ионов величину протекающего через лампу тока.

Достоинства:

1) высокая чувствительность;

2) высокая температурная стабильность;

3) линейная зависимость фототока от интенсивности светового потока.

 

Недостатки:

1) повышенное напряжение питания;

2) хрупкость стеклянного баллона;

3) старение (уменьшение чувствительности при очень сильной освещенности)

 

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). Представлен на рис. 25 б с.3. Представляет собой стеклянную пластину с нанесенным на нее полупроводниковым слоем (селен, талий висмут, кадмий или свинец). К этому слою (1) прикреплены электроды (2). При появлении освещения на пластине, через фоторезистор начинает протекать электрический ток, значение которого пропорционально интенсивности освещения.

Достоинства:

1) высокая чувствительность;

2) не требуется вспомогательного источника тока;

3) удобная форма;

Недостатки:

1) влияние окружающей температуры

2) большая инерционность;

3) старение.

 

Вентильные преобразователи (рис. 25 в, с.3). Под действием светового потока свободные электроны изменяют свою энергию, но остаются в веществе. Изготавливают селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновые фотоэлементы состоят из четырех слоев: первый слой представляет собой тонкую пластину золота, второй слой – запирающий, третий слой селеновый, 4 слой – стальная пластина. Второй слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из первого слоя, и препятствуют прохождению электронов в противоположную сторону. Таким образом, электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что создает разность потенциалов (U_вых).