Диагностика и регулирование усилителей сигналов (стр. 1 из 2)
Датчики
Терминология
Датчики – устройства, служащие для извлечения и предварительной обработки информации о состоянии технологического процесса, агрегатов машин.
Основные функции, выполняемые датчиками, состоят в преобразовании одной физической величины в другую. Первый преобразователь, непосредственно воспринимающий параметр (например, температуру, давление, перемещение машин и их частей), называется чувствительным элементом датчика. Под параметром понимается физическая величина, характеризующая состояние машины, агрегата, технологического процесса. Он может быть представлен как в прямых единицах, например давление в Па, так и в косвенных, например давление в пропорциональной величине электрического сопротивления. После основного элемента (воспринимающего органа) в системе датчика устанавливается преобразователь, служащий для получения в удобной форме сигнала о параметре. Вид и физическая сущность сигнала зависят от условий дальнейшего его использования.
В простейшем случае датчик состоит из одного преобразующего элемента, выполняющего две функции: восприятия и преобразования. К таким датчикам относятся, например, термопара, термометр сопротивления. Сложные датчики могут состоять из большого числа преобразующих элементов, каждый из которых в других устройствах может использоваться как самостоятельный датчик. Параметр, поступающий на чувствительный элемент, называется входной величиной датчика, а сигнал последнего преобразующего элемента – выходной величиной.
Классификация
Датчики классифицируются (по назначению) в зависимости от входной величины, например перемещений, температуры, давления, расхода, уровня. Для измерения одного и того же параметра можно использовать датчики, имеющие различный принцип действия. Принцип действия датчика определяется его выходной величиной, которая может быть, например, механическим (перемещение), электрическим, гидравлическим или пневматическим сигналом. В системах автоматики чаще всего применяются электрические и механические датчики, реже пневматические и гидравлические.
Датчики классифицируются на омические, индуктивные, ёмкостные, пьезоэлектрические, радиационные, акустические, термические, компенсационные, пневматические, гидравлические и механические. Омические, индуктивные, ёмкостные и пьезоэлектрические датчики называются электрическими.
Омические датчики делятся на реостатные, тензодатчики, контактного сопротивления, электрические, электронные и ионные, магнитоомические.
Индуктивные датчики подразделяются на магнитоупругие, с переменным зазором, с магнитным экраном, трансформаторные, сельсины, поворотные трансформаторы.
Ёмкостные датчики бывают с переменным зазором, с переменной площадью зазора, с переменной диэлектрической средой, с переменной диэлектрической средой, с переменной диэлектрической проницаемостью.
Радиационные датчики существуют двух типов, а именно, видимого излучения (оптические) и жёсткого γ, β и α излучений.
Акустические датчики классифицируются на датчики с изменяющейся интенсивностью звука, с изменением времени прохождения звука, с изменяющейся частотой импульсов, резонансноакустические.
Термические датчики включают в себя датчики с вынужденной теплоотдачей и со свободной конвекцией.
Пневматические датчики как и гидравлические систематизируются по принципу действия на четыре типа: золотниковые, клапанные, дроссельные и струйные.
Механические датчики – это датчики кулачковые, рычажные и трособлочные.
Параметрические датчики – это устройства, в которых неэлектрическая величина преобразуется в параметр электрической цепи, например, сопротивление; в генераторных датчиках происходит преобразование в электродвижущую силу.
При использовании датчиков следует учитывать их характеристики, основные из которых: вид зависимости выходной величины x от входной величины y=f(x); чувствительность датчика –
(Δ – приращение); порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, способное вызвать изменение выходной величины; погрешность.Пример
Датчики давления
Давление – сила, приходящаяся на единицу площади. При определении давления или других параметров (расхода, уровня), связанных с давлением, применяют в основном механические первичные преобразователи силы, связанные с изменением высоты столба жидкости, перемещением упругих элементов, электрическим сопротивлением или электродвижущей силой вторичных преобразователей датчика.
Чувствительные элементы датчиков давления бывают следующих типов жидкостные, сильфонные, мембранные, с трубчатой пружиной, с тензометром и пьезоэлектрические.
В жидкостном датчике давления в зависимости от давления изменяется высота столба жидкости, в сильфоном – перемещение свободного конца гофрированной трубки, в мембранном – перемещение плоскости гофрированной пластины, в датчике с трубчатой пружиной – угол раскручивания пружины, в тензометрическом – электрическое сопротивление, а в пьезоэлектрическом – электрический заряд элемента (за счёт пьезоэлектрического эффекта).
Регуляторы
Терминология
Свойства регулируемого объекта можно подразделить на две категории: статические и динамические. Статические свойства регулируемого объекта определяют способность объекта сохранить равновесное состояние, то есть работать на определённом режиме, и показывают связь между различными равновесными состояниями, выражаемую статическими характеристиками. Динамические свойства регулируемого объекта обуславливают характер протекания его переходного процесса от одного статического состояния до другого.
Если в основу классификации положить параметр регулирования, то объекты регулирования можно подразделить на несколько групп. Каждая из них описывается однотипными уравнениями движения, а в качестве регулируемого параметра может выступать любая физическая величина: частота вращения ротора, давление газа или пара в ресивере, уровень жидкости в резервуаре, температура в камере и другие.
При рассмотрении объектов автоматического регулирования следует обращать внимание не на физическую сущность протекающих в нём процессов, а на тип уравнения, которым описываются процессы статики и динамики. Это необходимо для исследования поведения объекта с целью выбора наилучшего регулятора, обеспечивающего устойчивость системы в целом и наилучшие показатели объекта регулирования.
Одним из основных свойств регулируемых объектов является устойчивость их работы. Под этим свойством понимается способность объекта без участия регулятора сохранять равновесное состояние (равновесный режим).
Свойство объекта, характеризирующее его устойчивость, обычно называют самовыравниванием (саморегулированием).
Самовыравнивание – это способность объекта приходить в первоначальное равновесное состояние без помощи регулирующих устройств.
Классификация
В зависимости от связи между регулятором и регулирующим органом различают прямое и непрямое регулирование. Если для регулирования параметра объекта в регуляторе используется только энергия самого объекта, то такое регулирование называется прямым. Устройства, осуществляющие такое регулирование, называются регуляторами прямого действия. Это возможно в том случае, когда мощность чувствительного элемента больше мощности, необходимой для действия исполнительного механизма. Поэтому такое регулирование ограничено выходной мощностью датчика. В случае использования регуляторов с внешними источниками энергии имеет место непрямое регулирование.
В регуляторах прямого действия перестановка регулирующего органа осуществляется за счёт энергии объекта. В зависимости от числа усилительных элементов последовательно включённых в схему регулятора непрямого действия регуляторы подразделяются на регуляторы с однокаскадным, двухкаскадным и многокаскадным усилениями.
Как указывалось ранее, автоматические системы по поведению в статическом режиме разделяются на статические и астатические.
Система называется статической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия. Если при постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия, то система называется астатической. Астатические системы имеют различный порядок астатизма. Это связано с наличием соответствующих элементов: статических (безынерционных) – элементов, у которых при постоянном входном воздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина, или астатических – элементов, у которых при постоянном воздействии сигнал на выходе в установившемся режиме непрерывно изменяется с постоянной скоростью, ускорением и так далее.
Астатическое регулирование характеризуется постоянством регулируемого параметра при равновесии системы независимо от положения регулирующего органа. Особенность астатического регулирования заключается в отсутствии пропорциональной связи между установившимся значением регулируемого параметра и положением регулирующего органа. Положительное свойство астатического регулирования – способность поддерживать регулируемые параметры точно на заданном уровне, недостаток – большая инерционность в переходном режиме. Такое регулирование называют интегральным или И-регулированием.
Статическое регулирование характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемым параметром и перемещением регулирующего органа. Положительным свойством статического регулирования является быстрота регулирования и устойчивая функциональная зависимость между регулирующим органом и регулируемым параметром, недостатком – наличие статической ошибки. Такое регулирование называется пропорциональным или П-регулированием.