Раздел 1 Основные элементы автоматических устройств

Раздел 1 Основные элементы автоматических устройств

Основные сведения о контрольно-измерительных и регулирующих приборах

Первой функцией управления, подвергшейся авто­матизации, было измерение. Измерительный прибор с индикато­ром заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые и достаточно точные измерения. К нему можно подключить реги­стрирующий прибор (РП), который записывает динамику изме­нения технологических параметров. Эти данные могут использоваться для анализа протекания технологического про­цесса (ТП), а диаграмма, записанная регистратором, служит от­четным документом. Функции оператора (О) при автоматической индикации сводятся к определению ошибки управления, а также реализации регулирующего воздействия.

Технические усовершенствования позволили перейти от авто­матической индикации к автоматическому контролю, при котором оператор получает информацию об отклонении технологических параметров от заданных значений. Система автоматического кон­троля кроме измерителя и индикатора содержит устройство срав­нения (УС) и задатчик (ЗД) — устройство, которое помнит значе­ние технологического параметра. Таким образом, задачей контроля является обнаружение событий, определяющих ход того или иного процесса. В случае когда эти события обнаружива­ются без участия человека, контроль называют автоматическим.

Важнейшей составной частью контроля является измерение фи­зических величин, характеризующих протекание процесса, кото­рые называют параметрами процесса.

Измерением называют нахождение значения физической ве­личины опытным путем с помощью специальных технических средств. Конечной целью любого измерения является получение количественной информации об измеряемой величине. В про­цессе измерения устанавливается, во сколько раз измеряемая фи­зическая величина больше или меньше однородной с нею в каче­ственном отношении физической величины, принятой за еди­ницу.

Результат всякого измерения является именованным числом. Поэтому для опреде­ленности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой вели­чины ставится со­кращенное обозначение принятой единицы измерения. В нашей стране в соответствии с ГОСТ 9867—61 с 1963 г. действует Между­народная система единиц изме­рения, которая сокращенно обо­значается СИ. Сведения о значениях измеряемых величин назы­вают измерительной информацией.

Сигналом измерительной информации называется сигнал, функционально свя­занный с измеряемой физической величиной (например, сигнал от термометра сопротив­ления). Средством из­мерения называют устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Сигнал из­мерительной информации, поступающий на вход средства изме­рения, называют входным сигналом, получаемый на выходе — выходным сигналом средства измерений.

Измерение технологических параметров

Измерение уровня жидкостей

 

При автоматизации СТОЗ широко применяются тех­нические средства для непрерывного измерения уровня (уровнемеры) и устройства для сигнализации предельных уровней (сигнализаторы уровня, реле уровня). Уровень измеряется и метрах (м) и милли­метрах (мм).

Для измерения и регулирования уровня применяются при­боры, основанные на разных принципах действия:

¾ дифманометры-уровнемеры,

¾ пьезометрические,

¾ поплавковые

¾ емкостные уровнемеры.

 

Если дистанционная передача показаний не требу­ется, то уровень жидкости с достаточной точностью и надеж­ностью можно измерять или показывающими дифманометрами, принцип действия которых описан выше, или с помощью указа­тельных стекол. Измерение уровня жидкости указательными стеклами основано на принципе действия сообщающихся сосу­дов.

Принцип действия поплавковых (буйковых) уровнемеров осно­ван на использовании выталкивающей силы, действующей на поплавок, погруженный в жидкость. Чувствительным эле­ментом таких уровнемеров (является поплавок, плавающий на поверхности жидкости. Перемещение поплавка, вызванное изменением уровня, воспринимается предающим преобразователем Пр. Следует иметь в виду, что при использовании поплавковых уровнемеров на средах, склонных к налипанию, по­является дополнительная погрешность, связанная с изменением массы поплавков, что приводит к изменению глубины погруже­ния и ограничивает их применение.

Емкостные уровнемеры широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня жидких и сыпучих сред. Принцип действия этих приборов основан на измерении элект­рической емкости, величина которой зависит от уровня контро­лируемой среды.

Для электропроводных сред используют первичные преобра­зователи с одним электродом 2, покрытым слоем изо­ляции 3. Вторым электродом является измеряемая среда. При из­менении уровня меняется величина поверхности обкладки кон­денсатора, образованного электродом и измеряемой средой, что приводит к изменению его емкости пропорционально изменению контролируемого уровня. Измерение емкости и преобразование ее в пропорциональный изменению уровня выходной сигнал осу­ществляется промежуточным преобразователем Пр, содержащим индуктивно-емкостный мост. Электрический контакт контроли­руемой среды с измерительной схемой достигается путем заземле­ния одного из входов измерительной схемы и стенок резервуара в котором находится контролируемая среда.

Для измерения уровня неэлектропроводных сред применяют первичный преобразователь с двумя неизолирован­ными электродами 2 (одним из электродов могут быть стенки резервуара). Для каждого значения уровня среды в резервуаре ем­кость первичного преобразователя определяется как емкость из двух параллельно соединенных конденсаторов: один образован частью электродов преобразователя и средой, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов преобразо­вателя и воздухом. При повышении уровня, например, происходит замещение воздуха в пространстве между электродами и измеря­емой средой, обладающей существенно отличающейся диэлектрической проницаемостью. В результате этого меняется емкость преобразователя между электродами.

Широко распространены сигнализаторы уровня (электроконтактные и емкостные устройства для сигнализации уровня среды). Принцип действия электроконтактных сигнализаторов уровня основан на замыкании электрической цепи между электро­дами датчика или электродом и стенкой емкости при их соприкос­новении с поверхностью электропроводящей среды. Электроды необходимой длины устанавливают вертикально или горизон­тально на емкостях, в которых необходимо контролировать уро­вень среды.

 

1.2.5 Измерение относительной влажности воздуха. При­боры для измерения относительной влажности.

Относительная влажность является одним из основных па­раметров, характеризующих состояние воздуха. Для ее опреде­ления применяют различные методы: психрометрический, гигроскопический, электролитический, метод точки росы и весовой. Наибольшее распространение в санитарной технике получили первые три метода.

Психрометрический метод определения относительной влажности воздуха является наиболее простым и надежным.

Он основан на зависимости испарения воды от влажности воздуха. ­Если поместить сосуд с водой в достаточно большой объем насыщенного воздуха, то через некоторое время температура ­воды достигнет определенного значения, причем она будет всегда ниже температуры воздуха и тем ниже, чем меньше его относительная влажность. Приборы для измерения относительной влажности, действие которых основано на психрометрическом эффекте, называют психрометрами.

Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, укрепленных на деревянной или пластмассовой планке.

Между термометрами закреплен стеклянный резервуар, заполненный дистиллированной водой. Чувствительный Элемент одного из термометров обернут батистом, свободный конец которого опущен в воду. Такой термометр принято называть мокрым, второй термометр называют сухим.

 

 

 

По капиллярам батиста вода поднимается вверх и весь батист, окружаю­щий чувствительный элемент термометра, пропитывается водой. Показания мокрого термометра за счет испарения воды с по­верхности батиста всегда ниже показаний сухого. Разность по­казаний сухого и мокрого термометров, называется психромет­рической разностью. Она тем больше, чем суше воздух, т. е. ниже его относительная влажность. Величина относительной влажности находится с помощью психрометрических таблиц по показаниям сухого и мокрого термометров. По психрометру Августа невозможно получить точные значения относительной влажности воздуха, так как чувствительные элементы термо­метров не защищены от лучистого тепла.

Более совершенным прибором для определения относитель­ной влажности воздуха является аспирационный психрометр Ассмана. Оба термометра прибора заключены в металлические трубки, через которые просасывается воздух со скоростью 2,5-З м/с. Для создания движения воздуха в корпус психрометра вмонтирован вентилятор, приводимый в движение пружиной или электродвигателем. Поверхность трубок для за­щиты термометров от лучистого тепла никелирована. В осталь­ном устройство аспирационного психрометра не отличается от устройства психрометра Августа.

Гигроскопический метод основан на способности некоторых материалов приводить свою влажность в равновесное состояние с влажностью воздуха. Изменение влажности гигроскопических материалов сопровождается изменением их размеров. Из при­боров для измерения относительной влажности воздуха, дейст­вие которых основано на гигроскопическом методе, наиболее распространенным является волосяной гигрометр. Чувствительным элементом этого прибора является обезжирен­ный человеческий волос, один конец которого закреплен непод­вижно, а другой обвернут вокруг нижнего валика и натянут грузом. При изменении относительной влажности воздуха пучок волос удлиняется или укорачивается, приводя в движение стрел­ку, которая указывает на шкале значение относительной влаж­ности.

В санитарной технике широкое распространение получил са­мопишущий прибор для измерения относительной влажности воздуха - гигрограф. Устройство гигрографа аналогично устрой­ству термографа, за исключением чувствительной части. Чув­ствительная часть гигрографа представляет собой пучок обезжи­ренных человеческих волос или круглую мембрану, изготовлен­ную из специально обработанной гигроскопической пленки. Изменение длины пучка волос или прогиба мембраны, вызван­ное изменением относительной влажности воздуха, преобразу­ется с помощью передаточного механизма в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте.

В последнее время для измерения относительной влажности воздуха стали широко использовать электро­литические гигрометры. Принцип действия электролитических датчиков влажности осно­ван на зависимости электрических свойств чувствительного элемента от влажности воз­духа. Датчики по принципу действия и конст­руктивному исполнению подразделяются на подогревные и неподогревные (наиболее рас­пространенные).

Неподогревный эле­ктролитический датчик, представляет со­бой полый цилиндр из органического стекла или полистирола, на котором намотан элек­трод - провод из платины, никеля или сереб­ра, покрытый горячим раствором солей, со­держащих литий. При изменении относитель­ной влажности окружающего воздуха меняется межвитковое сопротивление элек­тролитической пленки между электродатчиками, что и воспринимается измерительным мостом.

Кроме электролитических датчиков для измерения относи­тельной влажности воздуха применяются пьезосорбционные датчики. Влагочувствительным элементом такого датчика служит калиброванный кварц, покрытый полиамидной пленкой. При из­менении относительной влажности изменяется напряжение датчика, которое и воспринимается измерительным прибором.

Управление системами СТОЗ

Основные понятия об управлении. Виды управления. Основные понятия регулирования

 

 

В общем случае под автоматизацией понимают при­менение технических средств и систем управления, частично или полностью освобождающих человека от непосредственного учас­тия в процессах получения, преобразования, передачи или ис­пользования энергии, материалов или информации. Цель автома­тизации — повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, устранение человека от ра­боты в условиях, опасных для здоровья.

Любой технологический процесс в СТОЗ подвержен действию различных факторов, которые нельзя предусмотреть заранее. Такие факторы называются возмущениями. К ним относятся, например, случайные изменения состава обрабатываемой воды, темпера­туры, характеристик оборудования и др. Возмущающие воздей­ствия на технологический процесс вызывают изменения техноло­гического режима, что, в свою очередь, приводит к изменению таких ТЭП процесса, как производительность, качество обра­ботки, расход энергии и т. п. Поэтому для обеспечения требуемых (заданных) ТЭП необходимо компенсировать колеба­ния технологического режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воздействие на технологический про­цесс представляет собой процесс управления. Совокупность требо­ваний, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления. Наконец, сам управляемый технологический процесс вместе с оборудованием, в котором он реализуется, является объ­ектом управления. Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называются системой управления. Таким образом, система управления — это совокупность технологического процесса, оборудования, средств контроля и управления.

Структура управления современными СТОЗ ха­рактеризуется тремя уровнями иерархии.

Нижний уро­вень (I) представлен так называемыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации от­дельных технологических параметров. Такие задачи решаются ав­томатическими устройствами без участия человека, и поэтому системы нижнего иерархического уровня называются автомати­ческими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне — элементарные процессы с соответствующим технологическим оборудованием.

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управ­ления на этом уровне являются технологические установки или участки вместе с оборудованием и локальными АСР. Здесь реша­ются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входит выявле­ние и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переключение оборудования, вычисление ТЭП и т. п. Указанные функции достаточно сложны и не могут быть целиком возложены на авто­матические устройства. Поэтому здесь в системах управления применяют УВМ, а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизиро­ванных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управ­ление всей системой, т.е. всем предприятием. На этом уровне задачи управления всей производ­ственной системой решаются с применением УВМ и обслужива­ющего персонала. Система этого уровня получила название авто­матизированной системы управления предприятием (АСУП).

Все процессы управления, в том числе и регулирова­ния, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных объектов и целей управления.

Рассмотрим в качестве первого примера, поясняющего эти общие принципы, процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении (стоке) жидкости. Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока жидкости в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Предположим, что вначале уро­вень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное умень­шение стока вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда необходимо прикрывать клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, следует при­открывать.

Таким образом, этот процесс регулирования состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это задание известно заранее. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т.е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого зна­чения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В приведенном примере процесс управления неавтоматиче­ский, так как в нем принимает участие человек. Такое управление называется ручным. ВАСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости можно с по­мощью АСР. В этой системе поплавок пе­ремещается вместе с уровнем, а клапан изменяет расход жидкости на притоке. Поплавок связан с клапаном через рычаг и шток. В такой АСР любое отклонение уровня от заданного вызвано колебаниями стока, что приводит к перемещению поплавка и свя­занного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного наоборот, приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.

Из приведенных примеров видно, что для управления любой СТОЗ необходимо получить информацию о заданном и фактическом ее состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целевое направленное воздействие на объект и осуществить его.

Как уже отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий, которые в АСР выполняют техниче­ские устройства.

Устройство для получения информации о со­стоянии объекта управления называется измерительным.

Устрой­ство, определяющее отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумматором. Он производит алгебраическое суммирование — вычитание измеренного значе­ния из заданного.

Устройство, вырабатывающее воздействие на объект, называется регулятором.

Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган, для перемещения кото­рого применяется отдельное устройство — исполнительный меха­низм.

Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР (в ряде систем некоторые из устройств могут быть совмещены, например сумматор может быть частью регуля­тора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом). Так, в примере, объектом регу­лирования уровня является емкость с притоком и стоком; изме­рительным устройством — поплавок; рычаг выполняет роль сум­матора и регулятора, а клапан — регулирующего органа.

Из структурной схемы этой АСР видно, что все ее эле­менты связаны между собой и воздействуют друг на друга. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов, физическая природа которых может быть различной: механической, пневматической, электрической. При этом передача воздействия всегда происходит в одном направлении от предыдущего элемента к последующему. С учетом такой на­правленности в каждом элементе АСР различают входные и вы­ходные сигналы. Выходной сигнал является реакцией элемента на входной, т.е. выход элемента всегда зависит от его входа.

Элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — рас­ход жидкости через него. Для емкости (объекта регулирования) входные сигналы — это расходы на притоке и стоке, а выходной сигнал — уровень жидкости.

Управлять объектом — значит управлять его выходными сигна­лами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые системы объекта называются управляемыми (регулируемыми) параметрами. В СТОЗ типовыми управляемыми параметрами являются уровень, давление, расход, температура, плотность, концентрация. Задан­ное значение параметра при его стабилизации называется просто заданием, а разность между заданным и измеренным значениями - рассогласованием, которое характеризует качество стабилизации.

Для воздействия на выходные сигналы целенаправленно изме­няют входные сигналы, которые получили название управляющих (регулирующих) параметров, а их целенаправленное изменение - управляющим (регулирующим) воздействием. Так, регулируемым пара­метром емкости является уровень жидкости, а регулирующим - расход на притоке.

Регулирование температуры

 

Температура является показателем термодинамиче­ского состояния объекта и используется как выходная координата при автоматизации тепловых процессов. Характеристики объек­тов в системах регулирования температуры зависят от физических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать не­возможно и требуется тщательный анализ характеристик каждого конкретного процесса. Диапазон регулируемых температур неве­лик. Нижний предел этого диапазона ограничен минимальным значением температуры наружного воздуха (-40 °С), верхний -максимальной температурой теплоносителя (+150 °С).

К общим особенностям АСР температуры можно отнести зна­чительную инерционность тепловых процессов и измерителей (датчиков) температуры. Поэтому одной из основных задач при создании АСР температуры является уменьшение инерционности датчиков.

Каждая АСР температуры в СТОЗ создается для вполне кон­кретной цели и, следовательно, предназначена для работы в очень небольшом диапазоне. В связи с этим условия применения той или иной АСР определяют устройство и конструкцию как дат­чика, так и регулятора температуры.

 

 

Основы телемеханики

Раздел 1 Основные элементы автоматических устройств