Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Устройства этой группы технических средств ГСП предназначены для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролируемых и управляемых параметрах технологических процессов. Входом устройств являются естественные или унифицированные сигналы, выходом —• соответствующие значения унифицированных сигналов. Состав измеряемых и управляемых величин ГСП включает в себя пять групп величин и более 30 основных параметров, характеризующих большинство ТОУ.
ИЗМЕРЯЕМЫЕ И РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ГСП |
||||
|
Телоэнерге-тические величины |
Электроэнергети ческие величины |
Механические величины |
Химический состав |
Физические свойства |
|
Температура Давление Перепад Давлений Уровень Расход |
Ток постоянный и переменный Напряжение по стоянное и пере менное Мощность актив ная и реактивная Коэффициен мощности Частота Индукция |
Линейные Угловые Угловая скорость Деформация Усилие Крутящие моменты Количествоизделий Твердость материалов ВибрацияМасса Шум |
Концентрация Химические свойства Состав |
Влажность Электропроводность Плотность Вязкость Мутность |
К устройствам для получения информации о состоянии процесса, образующим канал сбора и преобразования информации, относят чувствительные элементы или собственно датчики измерительные преобразователи и нормирующие преобразователи. К этой же группе устройств относятся релейные (позиционные) преобразователи — контактные, индукционные, пневматические, оптические, радиационные и преобразователи, реагирующие на определенные состояния среды, положения изделий и выдающие дискретные сигналы, а также устройства формирования алфавитно-цифровой информации.
Датчики физических величин воспринимают контролируемый параметр и преобразуют его в величину, удобную для передачи по каналам связи или дальнейшего преобразования. Стоимость датчиков в АСУ ТП составляет 40% стоимости всего оборудования, что свидетельствует обольшом удельном весе этой группы устройств КТС.
Измерительные преобразователи переводят выходной сигнал датчиков и выходную физическую величину: перемещение, усилие, сопротивление, напряжение, ток, частоту. Измерительные преобразователи и чувствительные элементы часто представляют собой единое изделие и называются первичными измерительными преобразователями, если на их выходе сигнал представлен в естественном виде (не унифицированном). На рис. 4.1 изображена структура
измерительного преобразователя ГСП, а в табл. 4.1 показаны основные типы первичных измерительных преобразователей ГСП [8]. В табл. 4.1 обозначены: G – усилие; S – перемещение; – угол поворота; P – давление; I – сила тока; U – напряжение; С – электрическая емкость; R – активное сопротивление; K – концентрация (химический состав); Т – температура; n – число оборотов; Q – расход; – оптическая плотность; – коэффициент теплопередачи; H – уровень; R – интенсивность -лучей; – показатель преломления. Индекс х пинят для выходной величины.
Нормирующие преобразователи переводят выходной сигнал измерительных преобразователей с естественным выходом сигналов в унифицированный сигнал. Если на выходе измерительного преобразователя, чувствительный элемент которого непосредственно воспринимает изменения контролируемого параметра, выдается пневматический или электрический сигнал, то нормирующий преобразователь обычно представляет собой отдельное самостоятельное устройство. Если же чувствительный элемент выдает сигнал в виде усилия, перемещения или какой-нибудь другой физической величины, по своей природе отличной от электрической или пневматической, то измерительный и нормирующий преобразователи объединяются конструктивно в один прибор. Оба решения находят широкое применение в практике создания датчиков для АСУ ТП в виде универсальных базовых конструкций, обеспечивающих унификацию конструктивного построения ряда взаимозаменяемых датчиков для измерения различных параметров.
§ 4.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
В настоящее время в рамках комплексов АСЭТ, АСНК.АСАТ, АСПИ и других разработаны унифицированные системы взаимозаменяемых устройств для получения информации о состоянии процесса [6, 8, 26]. Эти системы объединяют приборы для измерения абсолютного, вакуумметрического, избыточного давлений, перепада давления, тяги и напора, температур, расхода жидких и газообразных сред, уровня и плотности жидких сред, вязкости, усилия и т. д.
Основными характеристиками устройств этой группы являются: входная
величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; выходная величина, используемая для передачи информации; статическая характеристика датчика; динамическая характеристика датчика; порог чувствительности; основная и дополнительные погрешности.
Рассмотрим подробнее основные характеристики современных устройств для получения информации.
Все входные величины датчиков подразделяются на два класса: а) величины, характеризующие протекание процессов (ток, напряжение, перемещение, расход, сопротивление, упругость, масса и т. п.); б) величины, характеризующие свойства и состав веществ (концентрация, температура, влажность и т. п.).
Выходная величина, используемая для передачи информации, обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и т. д.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).
В настоящее время наиболее употребительными выходными сигналами являются: напряжение постоянного тока низкого уровня, изменяющееся от 0 до 20—100 мВ либо от 0 до 5—100 мА, получаемое от термопар, тензометров и т. п.; напряжение переменного тока до 0,5—1 В с частотой до 100—2500 Гц, получаемое от индуктивных и трансформаторных датчиков; давление воздуха 20—100 кПа; импульсы постоянного и переменного тока, модулированные по амплитуде, ширине, фазе или частоте. Величины унифицированных выходных сигналов установлены ГОСТ 9895—78, 26.010—80, 26.015—81.
Расширение использования информационно-вычислительных и управляющих комплексов в АСУ ТП выдвинуло ряд новых требований к выходным сигналам датчиков: легкость преобразования сигналов в цифровую форму; возможность простой коммутации без снижения точности передачи информации; обеспечение максимальной унификации выходных сигналов. Этим требованиям удовлетворяют сигналы высокого уровня, время-импульсные сигналы, а также кодовые или цифровые сигналы.
Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации датчиков, статическая характеристика которых может быть представлена аналитическими (гладкими) нелинейностями, используются усилители-линеаризаторы. В настоящее время наряду с линейными широкое распространение нашли датчики с различными релейными характеристиками.
Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков задаются передаточными функциями, дифференциальными уравнениями, переходными, амплитудно-фазовыми, амплитудно-частотными, фазовыми и другими характеристиками.
Порог чувствительности датчика — минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала.
Основная погрешность датчика — максимальная разность между получаемой в нормальных эксплуатационных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах. В последнем случае погрешность обычно относят к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах.
Для наиболее распространенных типов датчиков статические характеристики стандартизируются с указанием допустимых отклонений статических характеристик от номинальных значений. Так, например, номинальные статические характеристики (НСХ) для стандартных типов термоэлектрических преобразователей — термопар — установлены ГОСТ 3044—84, согласованным со стандартом Международной электротехнической комиссии МЭК 584— 1.1977. Целесообразность введения такой стандартизации НСХ датчиков температуры обусловлена их чрезвычайно широким использованием: в промышленно развитых странах к датчикам температуры относится более 15% всех видов датчиков.
Дополнительные погрешности датчика — погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными эксплуатационными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, температурная погрешность 1,5% на 10°С).
§ 4.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ (НОРМИРУЮЩИЕ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Из рис. 4.1 следует, что измерительный преобразователь преобразует нестандартный (естественный) маломощный сигнал от датчиков в унифицированный электрический или пневматический сигнал для связи с устройствами регулирования, индикации, регистрации и с системами централизованного сбора данных. Согласно ГОСТ 16263—70, измерительный преобразователь является средством измерения, служащим для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем [11]. Измерительный преобразователь с высокой точностью реализует однозначную функциональную зависимость между двумя физическими величинами y = f(x), где x = x(t) и у = y(t) — сигналы на входе и выходе измерительного преобразователя.
Принципы построения измерительных преобразователей могут быть рассмотрены со следующих точек зрения:
структурная организация измерительных преобразователей;
характер преобразования сигнала на входе преобразователя;
тип интерфейса для включения измерительного преобразователя в систему управления;
технология изготовления функциональных элементов преобразователей и их конструктивное исполнение.
С точки зрения структурной организации измерительные преобразователи могут быть построены в виде каскадного или последовательного, дифференциального логометрического и компенсационного соединения.
|
Каскадное или последовательное соединение изображено на рис. 4.2, а, где Wg1 ,...,Wgn — передаточные функции звеньев измерительного преобразователя. Примером каскадного соединения звеньев может служить манометрический термометр (рис. 4.2, б), состоящий из баллона 1, |
капилляра 2, сильфо-на 3 и реостатного датчика 4. При нелинейных характеристиках чувствительных элементов последовательное соединение их с элементом, имеющим обратную нелинейную зависимость, используется для получения общей линейной характеристики.
|
Дифференциальное соединение звеньев. Структурная схема датчика дифференциального типа приведена на рис. 4.3, а. Характерная особенность дифференциальных датчиков — наличие двух однотипных звеньев, выходные сигналы которых вычисляются. Входные сигналы х1, x2 могут быть либо оба контролируемыми величинами, либо один — контролируемая величина, а другой – постоянная (в том числе и нулевая). Примером дифференциального |
датчика является дифференциальный трансформаторный датчик (рис. 4.3, б). Основные достоинства дифференциальных датчиков:
снижение дополнительных погрешностей;
возможность увеличения чувствительностидатчика и исключения постоянной составляющей ввыходном сигнале;
возможность линеаризации статической характеристики датчика вцелом при нелинейныхстатических характеристиках звеньев Wg1 , Wg2 .
|
Логометрическое соединение звеньев. В датчиках этого типа выходная величина пропорциональна отношению двух величин, одна из которых (или обе) является функцией входной величины. Наиболее ответственной и трудно реализуемой частью логометрических датчиков явля- |
ется делительное звено. На рис. 4.4, а, б изображены два варианта делителей. Первая схема (рис. 4.4, а) может быть реализована, например, с использованием электронного компенсатора (рис. 4.4, в), на реохорд которого подается напряжение Ux2. Обратная связь (усилитель и электродвигатель) поддерживает равенство Ux1 Uk = Ux2 xz-1, где xz-1 – относительное смещение движка реохорда. Легко видеть, что при этом xz-1 Ux1Ux2-1. Во второй схеме (рис. 4.4, б) в цепь у1, у2 включены логарифмирующие звенья, а деление заменено вычитанием аналогично дифференциальной схеме.
Компенсационное соединение звеньев. Для осуществления непрерывной компенсации преобразователь (рис. 4.5, а) содержит отрицательную обратную связь с передаточной функцией Wg. При k>>1 у xWg-1. Устройства (звенья) компенсационного преобразователя, входящие в замкнутый контур, следует выбирать с учетом обеспечения динамической устойчивости. Компенсационные датчики обладают всеми преимуществами замкнутых автоматических систем. На рис. 4.5, б изображена схема компенсационного датчика сопротивления (емкости, индуктивности) с частотно-зависимым мостом z1, z2, z3, zx.
Для измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров, термометров сопротивления используются измерительные (нормирующие) преобразователи, работающие по компенсационному принципу. Принцип действия преобразователя иллюстрирует рис. 4.6.
Разностный сигнал U, полученный в результате сравнения ЭДС термопары Ux (при использовании термоэлектрического термометра) или разбаланса мостовой схемы при использовании термометра сопротивления (см. рис. 4.5, б) и напряжения обратной связи U1: U = Ux – U1, – через модулятор (М) поступает на электронный усилитель (ЭУ). На выходе демодулятора (ДМ) выходное напряжение U2 (или его часть) используется для выделения сигнала отрицательной обратной связи U1 U2 на сопротивлении обратной связи R1. Выходной сигнал нормирующего преобразователя – либо постоянный ток I2 U2, либо постоянное напряжение на сопротивлении нагрузки Rн. Преобразователь может включать измерительный прибор (ИП). Глубокая отрицательная обратная связь в схеме нормирующего преобразователя обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от температуры.
В зависимости от вида сигнала на входе измерительные преобразователи разделяются на три группы:
На рис. 4.7 показана классификация измерительных преобразователей по виду вырабатываемой измерительной информации [8]. Наиболее широко применяются измерительные преобразователи второй группы, позволяющие получить информацию о ходе технологических процессов в металлургии, нефтехимии, в станкостроении, производстве оптических сред, пластмасс и т. д.
В зависимости от вида входного сигнала (постоянный или переменный ток и напряжение, изменение сопротивления или индуктивности) измерительные преобразователи строятся по различным принципам измерения: по принципам выпрямителя, фазометрического преобразователя, статической автокомпенсации, емкостному принципу, принципу прохождения стрелки через «нуль», с использованием генератора с кварцевой стабилизацией частоты [11] и др. Кратко остановимся на некоторых принципах преобразования.
Измерительные преобразователи, работающие по принципу выпрямителя, используются для преобразования сигналов переменного тока (напряжения) в унифицированный токовый сигнал 0 – 20, 4 – 20, 0 – 5 мА. Устройства преобразуют переменный сигнал по среднему значению и обеспечивают гальваническое разделение входа от выхода. Выходной величиной преобразователя является сглаженный переменный ток, пульсации которого сглаживаются фильтрами низких частот, а стабильность выходного сигнала при изменениях нагрузки обеспечивается схемотехническим путем.
Фазометрическое преобразование используется для преобразования сигналов переменного тока (напряжения) в сигнал постоянного тока. По сути работы фазометрический преобразователь относится к числу управляемых выпрямителей с двумя входами. Постоянная составляющая токового сигнала на выходе преобразователя зависит от значения входного напряжения и пропорциональна сдвигу фаз между входным напряжением и опорным напряжением, поданным на второй вход.
Широко используется емкостный принцип преобразования. В группу измерительных преобразователей этого типа входят преобразователи угла поворота в унифицированные сигналы тока [26].
Принцип статической автокомпенсации наиболее часто используется в измерительных преобразователях второй и третьей групп. Собственно принцип компенсации описан выше. В качестве примера рассмотрим преобразователь напряжения постоянного тока в частоту [14], упрощенная функциональная схема которого приведена на рис. 4.8.
Преобразователь состоит из усилителя постоянного тока (УПТ), управляемого генератора (Г), преобразователя частоты и напряжения (ПЧН), формирователя (Ф), схем гальванической развязки СП, СГ2 и схем сравнения СС1, СС2 с переключателями П1, П2. Сигнал рассогласования между измеряемыми напряжением и выходным напряжением ПЧН, усиленный УПТ, управляет частотой генератора (Г) и, следовательно, компенсирующим напряжением ПЧН. Сигнал генератора через формирователь (Ф) и схемы СП, СГ2 поступает на выходы Вых1—1, Вых1—2, а также на схемы сравнения СС1 и СС2. Схемы сравнения вырабатывают позиционные сигналы состояния «больше» или «меньше» (Вых2, ВыхЗ) в зависимости от соотношения между частотой, поступающей со схемы формирователя Ф, и предписанными значениями частоты (устанавливаются потребителем переключателями П1, П2 – внутренняя уставка).
Кроме того, в схемах сравнения предусмотрена возможность получения позиционных сигналов «больше» или «меньше» при использовании внешнего источника непрерывных частотных сигналов ****f10, f20, параметры которых соответствуют получаемым на выходах Вых1—1, Вых1—2.
В измерительных преобразователях вырабатываются как внутрисистемные информационные сигналы для связи с устройствами центральной части ГСП (регуляторами, УВМ, задатчиками, функциональными устройствами) и датчиками, так и дистанционные для связи с периферийными устройствами КТС АСУ ТП. Для внутрисистемных связей наиболее распространены сигналы напряжения постоянного тока (аналоговый выход) и логический выход для соединения с УВМ (цифровой выход). В качестве дистанционных сигналов связи (до 300 м) применяются, как правило, сигналы постоянного тока: 4 – 20, 0 – 20, 0 – 5, 0 – 10, 1 – 50, 10 – 50 мА. В АСУ ТП с территориально распределенными объектами управления унифицированные сигналы постоянного тока обычно преобразуются в неизбыточный код с последующей его подготовкой для передачи по линии связи в конечный пункт к УВМ (см. § 5.1).
Соединение измерительных преобразователей с устройствами КТС АСУ ТП осуществляется посредством двух-, четырех- и реже трехпроводных линий связи. Введение международных стандартов на сигнал связи постоянного тока 4 – 20 мА позволило перейти на двухпроводную связь, обеспечивающую минимальный расход проводов для линий связи (путем совмещения цепи питания с цепью передачи сигналов), возможность контроля обрыва линий связи по току смещения, искробезопасность, монтаж непосредственно в рабочей зоне.
|
Принцип работы двухпроводных измерительных преобразователей поясняет рис. 4.9, где 1 — источник постоянного тока напряжением 24/48 В (цепь питания); 2 — датчик и измерительный (нормирующий преобразователь); 3 — преобразователь токового сигнала в напряжение 1—5 В; 4 — аналого-цифровой преобразователь. Двухпроводный измерительный преобразователь питается от источника постоянного тока 1 напряжением 24/8 В, преобразует входной сигнал от датчика 2 в сигнал постоянного тока 4—20 мА, |
идущий в пункт управления. Если сигналы с измерительного преобразователя должны поступать на вход цифрового процесса, то в пункте управления сигналы 4 – 20 мА преобразуются в устройстве 3, где в выходном каскаде имеется гасящий резистор для преобразования аналогового сигнала тока 4 – 20 мА в сигнал напряжения 1 – 5 В, который поступает в АЦП 4.
В ряде систем контроля и регулирования (например, в АКЭСР) при автоматизации территориально распределенных объектов (с длиной линий связи более 3 км) с большим числом датчиков, а также при монтаже вблизи УВМ система передачи данных с помощью сигналов 4 – 20 мА по двухпроводной схеме становится дорогостоящей и заменяется на схему с параллельным соединением.
При параллельном соединении устройств используются групповой общий источник питания и групповой приборный усилитель маломощных сигналов напряжения (до 100 мВ) до унифицированных аналоговых сигналов напряжения.
Использование измерительных преобразователей в распределенных АСУ ТП приводит к необходимости включения в состав преобразователей интерфейсного узла с подключением к коаксиальному или волоконно-оптическому кабелю.
Элементная база современных аналоговых измерительных преобразователей использует два типа технологии производства функциональных элементов: полупроводниковой и технологии изготовления интегральных микросхем. Схемотехнические решения преобразователей на такой элементной базе обеспечивают:
гальваническую развязку входных электрических цепей отвыходных;
помехозащищенность входных контуров;
независимость значения выходного тока от сопротивлениянагрузки измерительного преобразователя;
сдвиг нуля выходного сигнала (выход 4 – 20 мА) при проведении диагностики линии связи с датчиками.
Наряду с традиционными аналоговыми измерительными преобразователями в последние годы наметилась тенденция к созданию микропроцессорных измерительных преобразователей. Это позволяет использовать цифровые датчики с микропроцессорными измерительными преобразователями, входные схемы которых выполнены на сменных платах с нанесенными на них интегральными схемами (называемых «чипами»). Для каждого типа датчика подбирается определенный чип без перестройки схемы самого преобразователя. В еще более современных системах распределенного управления функция каждого входного модуля преобразователя определяется микроЭВМ. Функция и параметры настройки каждого модуля заложены в перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) микроЭВМ. Перепрограммируя ППЗУ, можно настроить измерительный преобразователь на работу с различными датчиками. С другой стороны, микропроцессорные измерительные преобразователи, как отмечалось выше, снабженные интерфейсным узлом, легко включаются в микропроцессорные локальные вычислительные сети.
Конструктивное исполнение измерительных преобразователей аналоговых систем контроля и регулирования обычно отвечает общему принципу построения того агрегатного комплекса приборов, в который они входят. В зависимости от числа точек измерения монтаж измерительных преобразователей может быть индивидуальным (моноблочное исполнение) и групповым (мультиблочное исполнение). В первом случае преобразователи выполняются в виде блоков или модулей в закрытых корпусах. При более перспективном групповом монтаже модули стандартных габаритов размещаются в шкафах вместе с другими функциональными устройствами локальной автоматики.
В настоящее время в развитии измерительных преобразователей имеется четыре четко выраженных направления [11]: