Загальні поняття і визначення

Процес управління автоматичними системами пов'язаний з отриманням інформації про стан об'єкту управління. Отримання інформації здійснюється за допомогою вимірювальних перетворювачів і датчиків. Вимірювальним перетворювачем (ВП) називається технічний Устрій, призначений для перетворення однієї фізичної величини в іншу, функціонально з нею зв'язану.

Звичайно необхідне перетворення здійснюється за допомогою сукупності декількох ВП, сполучених між собою певним чином. Вимірювана фізична величина поступає на вхід першого ВП, який називається первинним вимірювальним перетворювачем (ПВП). Вихідна величина ПВП подається на вхід подальшого ВП, який називається проміжним. Перетворення вимірюваної величини відбувається до тих пір, поки з виходу останнього ВП, званого вихідним, не буде одержана вихідна величина, зручна для подальшої обробки, дистанційної передачі і безпосереднього сприйняття спостерігачем. Надалі вимірювальні перетворювачі називатимемо також просто перетворювачами.

Датчиком автоматичної системи управління, контролю або вимірювання називається конструктивна сукупність ряду вимірювальних перетворювачів, розміщена безпосередньо у об'єкту управління і служащая для перетворення вимірюваної величини у вихідний сигнал, зручний для подальшої обробки, дистанційної передачі, зберігання і безпосереднього сприйняття спостерігачем.

В ході багатократних перетворень вимірювані величини змінюють свій вигляд, форму і потужність. В результаті останнього перетворення вимірювані величини є нормованими електричними сигналами у формі аналогового (безперервного) сигналу, цифрового (кодового) сигналу або позиційного (логічного) сигналу. Нормування вихідного електричного сигналу необхідне для того, щоб забезпечити електричну і інформативну сумісність різних пристроїв.

Аналогові сигнали постійного струму уніфіковані по діапазону зміни і допустимому значенню навантаження. Найбільш поширені сигнали напруги постійного струму 0—10 В і сили постійного струму 0—5 мА. Датчики, що мають на виході напругу, повинні забезпечувати незмінний вихідний сигнал при зміні навантаження від холостого ходу до 2 кОм, виконуючи роль ідеального генератора напруги. Датчики, що мають на виході струм, повинні зберігати незмінною силу струму при зміні опору навантаження від 0 до 2 кОм, виконуючи роль ідеального генератора струму. І ті й інші перетворювачі дозволяють підключати однакове число навантажень, в першому випадку — паралель, а в другому — послідовно.

Окрім вказаних типів вихідних сигналів, в системах управління використовуються діапазони 0—20 мА і 4—20 мА. Ненульове значення вихідного сигналу при початковому значенні вимірюваного параметра в останньому випадку дозволяє контролювати обрив лінії зв'язку по зниженню рівня сигналу нижче за допустиме значення, а іноді неінформативну частину вихідного сигналу до 4 мА використовують для передачі живлення ВП від зовнішнього джерела.

У цифровому вихідному сигналі вимірювальна інформація зашифрована за допомогою коду. Позиційний сигнал є простим видом передачі вимірювальної інформації, в якому вимірюваний параметр порівнюється із заданим фіксованим значенням — межею (уставкою), а результат перетворення має два значення: "більше" або "менше". Сигнал цього вигляду широко використовується для повідомлення про різні стани об'єкту або процесу, а також для логічної обробки і позиційного регулювання.

Математичне, або графічне, опис функціонального зв’язку між вимірюваною х і вихідний у величинами називається статичною характеристикою:

Чутливістю ВП або датчика називається межа відношення приростів вихідної і вимірюваної величин:

(4.1)

У разі нелінійної статичної характеристики чутливість є функцією вимірюваної величини. У разі лінійної статичної характеристики чутливість є постійною величиною. Відношення значення вихідної величини до відповідного значення вимірюваної величини називається коефіцієнтом перетворення:

У ВП і датчиків з лінійною статичною характеристикою чутливість і коефіцієнт перетворення рівні.

Залежно від способу з'єднання перетворювачів є декілька основних структурних схем датчиків: диференціальна, послідовна і компенсаційна. На судах знайшли застосування дві перші структурні схеми.

Диференціальний датчик, структурна схема якого показана на мал. 4.1, складається з двох ідентичних первинних перетворювачів ПВП1 і ПВП2, ідентичних проміжних перетворювачів ПП1 і ПП2, елементу порівняння ЕП і вихідного перетворювача ВП.

Вимірювана величина подається на обидва входи з різними знаками. Для статичних характеристик окремих елементів датчика можна записати наступні вирази:

Тоді статична характеристика датчика має вигляд

Для датчика, що складається з лінійних елементів, статична характеристика виражається залежністю

Оскільки ПВП1 і ПВП2, ПП1 і ПП2 — ідентичні перетворювачі, то S1 = S2, S3 = S4, тому у = 2S₅S₃S₁х, тобто чутливість диференціального датчика збільшується удвічі в порівнянні з датчиком прямого перетворення.

У вимірювальних перетворювачах вихідна величина разом із змінною складовою має постійну складову. Знайдемо статичну характеристику датчика з урахуванням постійних складових у вихідних сигналах проміжних перетворювачів ПП1 і ПП2. В цьому випадку

На виході елементу порівняння ЕП

Для ідентичних перетворювачів ПП1 і ПП2

тому у₅ = 2k₁φ₁(x). Отже, в диференціальному датчику постійні складові вихідних сигналів проміжних перетворювачів знищуються.

Датчик з послідовним з'єднанням ВП називається датчиком прямого перетворення. Датчик складається з первинного ПВП, проміжних ПП₁, ПП₂,..., ППn і вихідного ВП перетворювачів (мал. 4.2), що мають чутливість S_П, S₁,..., Sn, S_B відповідно. Чутливість датчика рівна множенню чутливостей окремих перетворювачів

і для датчика з лінійною статичною характеристикою може бути одержана як відношення вихідної величини до вимірюваної. У простому випадку датчик складається з одного перетворювача. Прикладом такого датчика може служити термопара.

На мал. 4.3 показана схема датчика з аналоговим вихідним сигналом постійного струму, яка призначена головним чином для роботи з аналоговими пристроями. Вихідний сигнал первинного вимірювального перетворювача ПІП подається на схему попередньої нормалізації (ПН), що перетворює інформативний параметр в напругу постійного струму. Потім сигнал фільтрується фільтром (Ф) і посилюється підсилювачем (П). За допомогою гальванічного роздільника (ГР) відбувається гальванічна розв'язка ланцюгів. Необхідні функціональні перетворення здійснює функціональний перетворювач (ФП).

Остаточна обробка сигналу виробляється за допомогою нормуючого підсилювача (НУ), на виході якого утворюється нормований аналоговий сигнал АС. Вихідний сигнал разом з аналоговою формою при необхідності може бути перетворений за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) в цифрову форму, а за допомогою аналогового компаратора (АК) в позиційний сигнал ("більше", "менше" — залежно від уставки). Такі схеми вимірювання застосовуються в системах автоматичного управління енергетичних установок судів типу "Капітан Гаврілов", "Астрахань", "Комсомольськ" і інших, а також атомних криголамів.

Датчики з цифровим вихідним сигналом призначені головним чином для сполучення з цифровими пристроями: індикаторами, регуляторами і засобами обчислювальної техніки. Основним елементом датчика є аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Гальванічне розділення ланцюгів і функціональні перетворення виконуються після перетворення сигналу в цифрову форму (мал. 4.4). Вихідний сигнал разом з цифровою формою уявлення може бути перетворений за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) в аналогову форму, а за допомогою цифрового компаратора (ЦК) — в позиційний сигнал ("більше", "менше" — залежно від уставки). Перевагою схем вимірювання цього типу є те, що функціональні пристрої, що виконують операції після АЦП, майже не впливають на метрологічні характеристики датчика. Такі датчики застосовуються на сучасних судах в мікропроцесорних інформаційно-управляючих системах типів DAMATIC, SELMA-2, GEAPAS і інших.

Розвитком схеми вимірювання з цифровим вихідним сигналом є введення в її склад мікропроцесора (МП), який виконує логічні і арифметичні операції за заданою програмою в режимі реального часу. Додатково до функціональних пристроїв, розглянутих в структурних схемах аналогових і цифрових датчиків, до складу мікропроцесорного датчика введений мультиплексор (MUX), який підключає по командах МП вхід підсилювача У або до робочих каналів, що пов'язують МП з вимірюваними параметрами, або до службових каналів, що містять опорні елементи (ОЕ) і допоміжні датчики.

МП може брати участь в операціях, пов'язаних з функцією вимірювання, і впливати таким чином на метрологічні характеристики, а також замінювати деякі апаратні засоби.

Рис.4.4. Структурна схема датчика з цифровим вихідним сигналом

 

Мал. 4.5. Структурна схема мікропроцесорного датчика

 

Схема мікропроцесорного датчика приведена на мал. 4.5. На МП покладаються наступні функції:

§ управління процесом АЦП, включаючи ініціацію відповідних блоків, установку необхідних коефіцієнтів посилення, автокалібрування і самодіагностіку;

§ управління мультиплексором, який виробляє переключення каналів вимірювання;

§ функціональне перетворення (лінеаризація) характеристик і додаткова фільтрація.

Крім того, за допомогою МП може бути забезпечений прямий доступ результатів вимірювання в пам'ять вищестоящого центрального процесора без участі останнього.

Результати перетворення в цифровій формі через схему інтерфейсу (ІФ) передаються зовнішнім пристроям, а також можуть бути перетворені ЦАП в аналогову форму.

Позиційний сигнал може бути утворений також за допомогою МП шляхом порівняння результату перетворення із значенням уставки, що знаходиться в пам'яті, формуючи сигнал відхилення (СВ).

Включення процесора до складу вимірювального ланцюга послужило основою для інтелектуалізації процесу вимірювання, який припускає комплексне використовування апаратних і програмно-алгоритмічних можливостей на основі апріорної і поточної інформації про мету і умови вимірювань. Під інтелектуальністю розуміється здатність технічного засобу спілкуватися з користувачем і ухвалювати рішення про характер подальших дій, засновану на знаннях.

Рівень інтелекту процесорних вимірювальних систем визначається можливостями використовування апріорної (банк даних і банк знань) і поточної інформації для синтезу і виконання алгоритмів вимірювань, що характеризуються якнайкращою для прийнятих умов і обмежень метрологічною якістю результатів вимірювання. Необхідні передумови в процесорних вимірювальних системах створюються наявністю процесора, пам'яті і системного програмного забезпечення. Реалізація здійснюється через синтез раціональних алгоритмів вимірювань, а також визначення і коректування параметрів і характеристик перетворень.

Разом із статичною характеристикою і чутливістю до основних характеристик перетворювачів і датчиків відносяться: інерційність; роздільна здатність; потужність або зусилля, що вимагається від джерела вимірюваної величини; вихідна потужність і значення вихідної величини. Інерційність характеризується відставанням змін вихідної величини від змін вимірюваної величини. Вона обумовлює виникнення динамічних погрішностей. Роздільна здатність визначається якнайменшою зміною вимірюваної величини, що призводить до зміни вихідної величини. Ця характеристика в основному залежить від власних шумів перетворювача або датчика. Потужність або зусилля визначають умови узгодження перетворювача і датчика з джерелом вимірюваної величини. Вихідна потужність і значення вихідної величини впливають на структуру датчика. При невеликій вихідній потужності або малих значеннях вихідної величини в датчик може вводитися підсилювач.

Залежно від фізичної природи вимірюваної величини перетворювачі і датчики діляться на дві групи: перетворювачі і датчики електричних величин, перетворювачі і датчики неелектричних величин. До першої групи відносяться перетворювачі і датчики, що реагують на зміну напруги, струму, частоти, потужності, до другої — перетворювачі і датчики, що реагують на зміну температури, тиску, моменту, що крутить, частоти обертання і т.д.

По роду вихідної величини перетворювачі і датчики діляться на електричні і неелектричні. Електричні залежно від характеру вихідної величини підрозділяють на два типи: параметричні і генераторні. Параметричні перетворювачі і датчики перетворять неелектричні вимірювані величини в параметри електричних ланцюгів L, С, R. Такі перетворювачі включаються в різні вимірювальні схеми, які мають додаткове джерело живлення. У генераторних перетворювачах відбувається перетворення енергії вимірюваної величини в ЕРС постійного або змінного струму.

По вигляду вимірюваної величини датчики підрозділяють на датчики переміщення, тиску, витрати, температури, моменту, що крутить, кута розузгодження і т.д. Перетворення одних і тих же вимірюваних величин може здійснюватися датчиками, заснованими на самих різних принципах дії.