Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Преобразователи тока в напряжениеСодержание книги
Поиск на нашем сайте
Выходным сигналом ряда датчиков является постоянный ток, в то время как устройства дальнейшей обработки сигналов работают с входным сигналом в виде напряжения. Преобразование токовых сигналов Uвых в сигналы напряжения Uвых осуществляется с помощью резистора, включенного параллельно входу последующего устройства (рис. 5.7).
Сопротивление резистора определяют исходя из максимально возможного тока входного сигнала и максимально допустимого напряжения на входе измерительного устройства, так как чем выше уровень сигнала, тем меньше влияние помех и больше точность преобразования. При этом нужно учитывать входное сопротивление самого устройства, которое оказывается параллельным резистору. Точность и стабильность резистора естественно сказываются на точности всего преобразования, поэтому класс точности резистора должен соответствовать погрешности измерительного устройства. Аттенюаторы Некоторые датчики, источники дискретных сигналов технологического оборудования и устройства преобразования сигналов имеют выходное напряжение, превышающее максимально допустимый уровень входного сигнала последующих устройств. Например, с дискретного датчика может поступать напряжение 12 В, в то время как стандартное входное напряжение регистров и счетчиков составляет всего 5 В. В таком случае для ослабления сигналов применяют аттенюаторы. Аттенюатор, или делитель напряжения, состоит из двух последовательно соединенных резисторов R 1 и R 2, которые подключаются к выходу источника сигнала Uвых (рис. 5.8). Напряжение UBX на следующее устройство подается с одного из этих резисторов, например с R 2. Оно оказывается ослабленным по сравнению с исходным сигналом в п раз, где «= (R 1 + R 2)/ R 2. Величина п зависит также от выходного сопротивления источника сигнала, которое в идеале равно нулю, и от входного сопротивления последующего устройства, в идеале бесконечно большого. Точность аттенюатора определяется не точностью самих резисторов, а точностью соблюдения соотношения их сопротивлений, поэтому обычно их подбирают сразу парами. Мостовые измерительные цепи Параметрические датчики самых различных типов имеют в качестве выходной величины изменение одного из электрических параметров: сопротивления, индуктивности или емкости. Проблема в том, что эти параметры имеют какие-то значения даже при отсутствии входного воздействия на датчик. В результате после непосредственного преобразования этих параметров в более удобную для дальнейшей обработки величину — напряжение — получаются ненулевые его значения при нулевом воздействии на датчик, т.е. при нулевом значении технологического параметра. Естественно, это создает неудобство как для оператора, затрудняя восприятие им информации о параметрах технологического процесса, так и для устройств дальнейшей обработки сигналов. Для устранения такого сдвига напряжения было бы естественным сдвинуть соответственно нулевой уровень входного сигнала устройства, на которое поступает сигнал от датчика. Проведем аналогию: для измерения высоты бьющей вверх струи фонтана надо брать в качестве нулевого уровня не уровень земли, а тот уровень, на котором находится сопло фонтана, иначе может получиться результат в несколько метров даже при выключенном фонтане. Сдвиг нулевого уровня означает, что нужно создать напряжение, равное сигналу с датчика при нулевом воздействии на него, и уже от этого напряжения отсчитывать значение сигнала. Это можно сделать с помощью мостовой измерительной цепи. На рис. 5.9, а показана мостовая цепь, образованная тремя резисторами Rt, R 2, R 3 и выходным сопротивлением датчика R, д. Она питается от источника напряжения Епт. Сопротивления резисторов подбираются так, что Rt,/ R 2 = Rt 3/ R Д. Следовательно, напряжения на сопротивлениях R 2 и R д одинаковы и их разность Uвых равна нулю. Это напряжение и является выходной величиной мостовой цепи. При воздействии на датчик со стороны технологического параметра сопротивление датчика Ra изменяется, соответственно изменяется и напряжение на нем. Теперь оно отличается от напряжения на R 2 и разность этих напряжений (выходной сигнал мостовой цепи UBblx) становится отличной от нуля, причем она может быть как положительной, так и отрицательной. Приведенная мостовая цепь является самой простой, и ее функция преобразования линейна в очень узком диапазоне. При работе такой цепи с дифференциальным датчиком с выходными сопротивлениями R Д1, и R Д.2 (рис. 5.8, б) диапазон линейности существенно расширяется. Если выходная величина датчика — индуктивность или емкость, то мостовая цепь должна питаться от источника переменного напряжения. В этом случае цепь немного усложняется, но принцип ее работы остается тем же. Усилители Усилители — это устройства, усиливающие сигналы за счет внешнего источника энергии. 111 Сигналы могут иметь различную физическую природу: электрические, гидравлические, пневматические и др. Соответственно и усилители этих сигналов относятся к электрическим, гидравлическим и другим устройствам. Как уже неоднократно отмечалось ранее, в автоматических системах используют, как правило, электрические сигналы. Поэтому далее рассмотрены в основном электронные усилители. Одним из основных параметров усилителя является его коэффициент усиления. В электронных усилителях различают коэффициент усиления по напряжению, по току и по мощности. Когда речь идет об усилении слабых сигналов датчиков до значений, позволяющих измерить величину сигнала с необходимой точностью (обычно это уровень от долей вольта до нескольких вольт), приходится усиливать напряжение: Uвых = киивх, гдеUвых— напряжение на выходе усилителя; К u — коэффициент усиления напряжения усилителем; ивх — напряжение на входе усилителя. Коэффициент усиления по напряжению — это отношение напряжения на выходе усилителя к напряжению на его входе. Управляющие сигналы для исполнительных механизмов обычно очень слабы для непосредственного воздействия на эти механизмы, и их усиливают по току или по мощности до нужных значений (вплоть до киловатт). Коэффициенты усиления по току и по мощности определяются аналогично коэффициенту усиления по напряжению: KI = I вых/Iвх; Кр = P выхPIвх Зависимость выходного напряжения от входного во всем диапазоне изменений входного напряжения называется амплитудной характеристикой усилителя: Uвых=F(U вх). Амплитудная характеристика реального усилителя показана на рис. 5.10. На характеристике выделены три зоны: А, Ви С. Зона А соответствует нулевому входному сигналу, но напряжение на выходе усилителя отлично от нуля — оно равно так называемому напряжению шумов, связанному с процессами, происходящими внутри усилительных элементов (транзисторов, микросхем), а также с внешними электромагнитными наводками. От минимального входного напряжения UBX min, для которого гарантированы точностные характеристики усилителя, до максимального напряжения UBX maх удовлетворяющего этим гарантиям, длится участок В, на котором амплитудная характеристика усилителя линейна. На участке С начинается насыщение усилителя, 112 когда напряжение на его выходе приближается к напряжению источника питания, и он больше не может обеспечивать требуемый коэффициент усиления. Штриховой линией на рис. 5.10 показана идеальная амплитудная характеристика. Конечно, реальное напряжение шумов гораздо меньше, чем можно судить по рис. 5.10; участок А показан таким большим только для наглядности. При изменении частоты/входного напряжения коэффициент усиления усилителя может изменяться. Зависимость Ки - F (f) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). На рис. 5.11 приведена реальная амплитудно-частотная характеристика усилителя, по которой видно, что постоянство коэффициента усиления обеспечивается только в определенном диапазоне частот входного сигнала от f min до f min до fmaх. На низких и высоких частотах коэффициент усиления падает. Это связано, в первую очередь, с наличием в усилителях конденсаторов, сопротивление которых переменному току зависит от частоты этого тока. В современной электронике распространены усилители постоянного тока, в которых межкаскадные конденсаторы отсутствуют, и коэффициент усиления остается неизменным даже на самых низких частотах. Штриховой линией на рис. 5.11 показана идеальная АЧХ. В автоматических системах контроля и управления сигналы, поступающие от датчиков на входы усилителей, пропорциональны различным технологическим параметрам. Эти параметры мо- 113 Такой большой перепад на выходе компаратора, легко регистрируемый средствами обработки дискретных сигналов, позволяет создавать очень чувствительные устройства сравнения напряжений. Например, на один вход может подаваться сигнал Um от датчика параметра, а на другой вход — постоянное напряжение U 0, равное сигналу датчика при предельно допустимом значении этого параметра. Теперь как только параметр превысит предельное значение, напряжение U/вх превысит U 0, что вызовет перепад напряжения на выходе компаратора, воспринимаемый системой как аварийный сигнал. Так как при очень большом коэффициенте усиления Kv разность напряжений (Uвх, - U/вх2), приводящая к срабатыванию компаратора, чрезвычайно мала, можно считать, что компаратор фиксирует момент равенства напряжений на его входах. Для управления исполнительными механизмами в АСУ ТП используют транзисторные усилители постоянного и переменного тока с небольшим коэффициентом усиления (100...500), но с большой выходной мощностью (до 200 Вт). Если мощность, потребляемая исполнительными механизмами, составляет киловатты и более, то применяют магнитные усилители. Их работа основана на способности ферромагнитных материалов в сильных магнитных полях переходить в состояние насыщения. Обмотки 7 и 3 магнитного усилителя (рис. 5.14), которые питаются от источника переменного напряжения U, создают переменное магнитное поле, пронизывающее сердечник и создающее в нем магнитный поток.
Согласно закону электромагнитной индукции, чем больше этот поток, тем больше индуктивность имеющихся на сердечнике обмоток и меньше ток, проходящий через них. Если сердечник введен в состояние насыщения, то пронизывающее его магнитное поле уже не в состоянии создать в нем большой магнитный поток. В результате индуктивность обмоток существенно уменьшается, а ток, проходящий через них, растет. Таким образом, управляя переходом сердечника в состояние насыщения, можно управлять током в цепи обмоток — выходной величиной усилителя. Управлять состоянием насыщения можно, изменяя значение управляющего постоянного напряжения Uynp, подаваемого на обмотку подмагничивания 2. Это напряжение рассматривается как входная величина магнитного усилителя. При его увеличении материал сердечника приближается к состоянию насыщения, причем даже небольшие изменения управляющего напряжения приводят к значительным изменениям тока / (выходной величины) в обмотках. Простота и большая выходная мощность магнитных усилителей привели к их широкому применению в автоматических системах. Основной их недостаток — большая инерционность. Цифровые устройства Общие сведения Цифровые устройства автоматики — это, как правило, электронные устройства, работающие в дискретном режиме, т.е. они могут находиться только в определенных фиксированных состояниях. Цифровыми они называются потому, что их состояния могут быть обозначены цифрами: 1, 2, 3-е и т.д. Поскольку цифровые устройства используются с ЭВМ, которая сама является цифровым устройством, то принято использовать для обозначения состояний цифры двоичной системы счисления, удобные для выполнения операций в арифметико-логическом устройстве ЭВМ. В двоичной системе счисления две цифры: 0 и 1, но существуют разряды, как и в десятичной системе. Поэтому состояния цифровых устройств можно обозначить, например, следующим образом: первое обозначить цифрой 0; второе — цифрой 1; третье потребует введения второго разряда и обозначится 10 (не десять, а один —ноль), четвертое — 11 (один —один), пятое — 100 (один — ноль—ноль), шестое — 101 (один —ноль—один) и т.д. Цифровые устройства в автоматических системах используются: • для получения и хранения информации с датчиков дискретных параметров (состояния и количества объектов); • выбора порядка опроса датчиков; 117 • формирования дискретных управляющих воздействий («включить— выключить», «открыть—закрыть», «перевести в положение 5» и т.д.); «управления очередностью выполнения операций; • обмена информацией с ЭВМ. Например, в режиме программно-логического управления именно цифровые устройства обеспечивают такую последовательность операций: • включить пускатель П1; • открыть клапан К.1; • когда давление в системе достигнет значения Р1, открыть вентиль В1 на 30° (положение 3) и т.д. Все цифровые устройства, выполняющие перечисленные функции, строятся на основе триггера. Триггеры Триггер — это устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия и выполняющее роль электронного реле. Состояния триггера обозначаются цифрами 0 и 1. Основу электронного триггера составляют два транзисторных элемента, называемых ключами (рис. 5.15). В ключе транзистор может находиться в одном из двух состояний: или он открыт, т. е. через него течет ток, или он закрыт, т. е. тока нет. Ключи в триггере соединены так, что если один из них находится в открытом состоянии, то другой — обязательно в закрытом, и наоборот. При открытом транзисторе напряжение на его выходе близко к нулю, а при закрытом — к напряжению источника питания. Поэтому открытое состояние условно обозначают 0, а закрытое 1. Если на вход закрытого транзистора поступает открывающий импульс напряжения, то он переводит транзистор в открытое состояние и напряжение на выходе транзистора уменьшается, т.е. формируется сигнал 0. При этом второй транзистор, ранее открытый, переходит в закрытое состояние и напряжение на его выходе возрастает (сигнал 1). Если теперь открывающий импульс поступит на вход второго транзистора, то снова установится первоначальное состояние триггера. Приняв выход одного из транзисторов за выход всего триггера, мы можем обозначить состояния триггера 0 и 1. Тогда можно утверждать, что поступление импульса на один вход триггера устанавливает его в состояние 0, а на другой вход — в состояние 1.
Состояние 0 триггера обычно принимают за исходное; при этом выходом триггера считают выход открытого в этом состоянии транзистора, на котором напряжение равно 0 (сигнал 0). Этот выход называют прямым, а выход другого транзистора — инверсным. При создании цифровых устройств, например счетчиков импульсов, используют сигналы как с прямого, так и с инверсного выходов. Соединив входы транзисторов так, чтобы входные импульсы могли поступать сразу на оба транзистора, можно организовать еще один вход триггера — счетный. При подаче открывающего импульса на этот вход откроется тот транзистор, который в этот момент находится в закрытом состоянии. Поскольку при переключении триггера закрыт то один транзистор, то другой, поступление импульсов на счетный вход переводит триггер последовательно из одного состояния в другое и обратно, что позволяет использовать его в качестве счетчика импульсов. Регистры Регистр — это устройство для хранения информации, представленной в двоичной форме. Регистр представляет собой группу триггеров с общим входом установки в 0. Регистр, в котором все триггеры независимы, называется параллельным (рис. 5.16, а). Сигналы (например, с дискретных датчиков) поступают параллельно на входы всех триггеров, образуя на выходе регистра сочетание нулей и единиц (параллельный код). Для установки регистра в исходное состояние на общий вход установки в 0 всех триггеров подается соответствующий сигнал. В ряде случаев, например при выполнении операций с двоичными кодами в процессоре компьютера или для управления коммутатором, требуется сдвигать код, занесенный в регистр, на один или несколько разрядов. Для этого триггеры соединяют между со- 119 бой так, как показано на рис. 5.16, б, образуя сдвиговый регистр. Он представляет собой цепочку соединенных последовательно триггеров, для которых общий сигнал установки в 0 становится сигналом сдвига хранящейся информации на один разряд. При поступлении сигнала «Сдвиг» каждый триггер, находившийся в состоянии 1, переключается в состояние 0 и при этом передает следующему триггеру импульс установки в 1. Если следующий триггер был в состоянии 0, то он устанавливается этим импульсом в состояние 1. Триггер, находившийся в состоянии 0, не может переключить следующий триггер. Счетчики Счетчик импульсов — это устройство, предназначенное для подсчета поступающих на его вход электрических импульсов. Результат подсчета количества импульсов представляется в двоичном коде, т.е. в виде двоичного числа. Счетчики строятся на базе триггеров. Поскольку один триггер представляет собой один разряд двоичного числа, то для формирования, например, 8-разрядного числа требуется восемь тригге- 120 ров. Триггеры соединяются последовательно, как показано на рис. 5.17. В отличие от сдвиговых регистров в счетчиках импульсы подаются на счетные входы триггеров. Благодаря этому с каждым пришедшим импульсом происходит смена состояния триггера независимо от того, в каком состоянии он перед этим находился. Но на следующий триггер импульс поступает, как и в сдвиговом регистре, только тогда, когда предыдущий триггер переходит из состояния 1 в состояние 0. Сигналы на выходах триггеров формируют двоичное число, значение которого равно количеству поступивших на счетчик импульсов. Максимальное количество импульсов, которые может сосчитать счетчик, равно количеству его возможных состояний, т.е. количеству различных комбинаций состояний триггеров счетчика. Так, для счетчика с двумя триггерами количество возможных состояний — четыре; они соответствуют двоичным числам на выходе счетчика 00, 01, 10 и 11. При трех триггерах количество состояний — восемь, от 000 до 111. В общем случае, если в счетчике п триггеров, число различных состояний счетчика равно 2". Так, 8-разрядный счетчик позволяет считать до 28 = 256. В зависимости от того как организованы связи между триггерами, счетчики могут быть суммирующими или вычитающими. Счетчик, показанный на рис. 5.17, суммирующий; количество его различных состояний 24 = 16. Первый триггер, на который поступают входные импульсы, образует младший разряд 4-разрядного двоичного числа на выходе счетчика; последний от входа триггер образует старший разряд. Как происходит подсчет импульсов? Сначала все триггеры устанавливаются в состояние 0, на выходе счетчика — число 0000. Первый входной импульс переключает триггер младшего разряда в состояние 1, число на выходе счетчика становится 0001. Второй импульс возвращает этот триггер в 0, но такой переход переводит триггер второго разряда в 1; число на выходе — 0010 (нуль—нуль— один —нуль). Третий импульс вновь переводит триггер младшего разряда в 1; при этом триггер второго разряда не меняет своего состояния, число на выходе — ООН. Четвертый импульс возвра- щает триггер младшего разряда в 0, его выходной сигнал переводит триггер второго разряда в 0, а выходной сигнал этого триггера переводит триггер 3-го разряда в 1; число на выходе счетчика — 0100. Пятый импульс переводит младший разряд в состояние 1, не оказывая влияния на другие разряды, число на выходе — 0101. Так происходит до тех пор, пока 15-й импульс не установит счетчик в состояние 1111. Следующий, 16-й, импульс должен бы установить на выходе число 10000, но поскольку в этом счетчике только четыре разряда (четыре триггера), число на выходе соответствует значениям только четырех младших разрядов, т. е. 0000. Таким образом, счетчик возвращается в нулевое состояние и готов к новому счету. При необходимости принудительной установки счетчика в исходное состояние на него поступает команда «Установка в 0» и во всех разрядах триггеры устанавливаются в состояние 0. Вычитающий счетчик строится аналогично, но сигнал на триггер более старшего разряда поступает не с инверсного, а с прямого выхода каждого триггера. Триггер каждого разряда изменяет свое состояние, когда предыдущий триггер переходит из состояния 0 в 1. В результате при поступлении на вход счетчика очередного импульса двоичное число на его выходе уменьшается на 1. Счетчики, которые позволяют производить как суммирование, так и вычитание поступающих импульсов, называются реверсивными. Они имеют или два входа (один — для суммируемых импульсов; другой — для вычитаемых импульсов), или один вход с возможностью переключения счетчика из режима сложения в режим вычитания, и наоборот. Коммутаторы Коммутатор — это электронный или электромеханический переключатель, подключающий в определенном порядке различные электрические цепи к входу или выходу общего для них устройства. Коммутаторы состоят из управляющих элементов и переключающих элементов. Они работают по принципу шаговых устройств: на каждом шаге срабатывает один элемент коммутатора, подключая одну из цепей. Управляющим элементом коммутатора обычно является параллельный или сдвиговый регистр. Параллельный регистр получает от ЭВМ код номера цепи, которую следует подключить к входу или выходу коммутатора в данный момент. Сдвиговый регистр используют, когда очередность подключения цепей известна заранее. В этом случае сдвиговый регистр закольцовывают, соединяя выход последнего триггера регистра с входом первого, и перево- 122 дят первый триггер в состояние 1. Если теперь подавать на регистр импульсы сдвига, то с каждым импульсом триггеры регистра будут поочередно переходить в состояние 1, т.е. выходной сигнал будет поочередно появляться на всех выходах регистра. В результате электрические цепи будут поочередно подключаться к входу (выходу) коммутатора, причем после подключения последней цепи процесс будет повторяться сначала. Включенный таким образом сдвиговый регистр называется кольцевым счетчиком. Переключающие элементы могут быть контактными или бесконтактными. В качестве контактных переключающих элементов чаще всего используют электромагнитные реле, переключающие цепи перемещением подвижных электрических контактов. Реле способны переключать цепи в широком диапазоне токов и напряжений при малой мощности управляющего сигнала. Они незаменимы при коммутации сверхмалых токов (микроамперы) и напряжений (микровольты), поступающих от некоторых видов датчиков. Современные реле малогабаритные, имеют низкую стоимость, работают в широком диапазоне температур. Их недостаток — большая инерционность (время срабатывания — от единиц до сотен миллисекунд). Значительно большим быстродействием обладают бесконтактные полупроводниковые переключающие элементы — транзисторы и тиристоры (время их переключения составляет микросекунды). Работа транзисторных ключей уже рассматривалась в подразд. 5.4.2. Для уменьшения взаимного влияния коммутируемых цепей в качестве переключающих элементов используют полевые транзисторы, обладающие очень высоким сопротивлением в закры-
том состоянии. Тиристоры способны переключать очень большие токи (до сотен ампер), но их быстродействие ниже. На рис. 5.18 приведена схема коммутатора на полевых транзисторах с четырьмя входами и одним выходом, управляемого сдвиговым регистром. Коммутаторы, содержащие несколько входов и один выход, называются мультиплексорами и используются в автоматических системах обычно для поочередного подключения сигналов от датчиков к входу общего для них усилителя или аналого-цифрового преобразователя. Коммутаторы, имеющие один вход и несколько выходов, называются демультиплексорами и используются для подачи управляющих сигналов на нужный исполнительный механизм.
|
||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-04-14; просмотров: 157; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.191.178.145 (0.01 с.) |