Лекция 3 Индикаторы уровня Индикатор уровня level

Лекция № 3 Индикаторы уровня Индикатор уровня (level switch) срабатывает, если резервуар заполнен до заданной высоты. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества - жидкость, цементный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий уровень, либо выдавать сигнал, когда достигается заданный уровень. Поплавок, находящийся на поверхности жидкости, при достижении определенного уровня действует как концевой выключатель. Герконы являются идеальными выключателями для жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен быть установлен магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же цели часто используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов применяются емкостные датчики приближения (proximity sensors). Цифровые и информационно-цифровые датчики Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, импульсные последовательности или представленные в определенном коде данные, которые непосредственно могут быть считаны процессором. В зависимости от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом виде (например, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями электронной логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная головка цифрового датчика такая же, как и у аналогового. Существуют интегрированные цифровые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числовых преобразований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или выходной сигнал. Информационно-цифровые датчики (Fieldbus sensor) дополнительно обеспечивают передачу информации через шины локального управления (Field bus) которые представляют собой специальный тип двухсторонних цифровых коммуникаторов. Датчики данного типа - это обычные датчики температуры, давления, расхода и т. д. , которые дополнительно имеют микропроцессор для обработки данных и преобразования их в цифровой.

Пример - Датчики положения вала или кодеры поворота (shaft encoders) — это цифровые датчики для измерения угла поворота и угловой скорости. Они применяются во всех системах, где нужна точная информация о параметрах вращательного движения, - например, станки, роботы, сервосистемы и электропривод. Существуют датчики относительного (incremental) и абсолютного (absolute) типов. Датчик относительного типа состоит из светодетектора или магнитного датчика, например геркона, который генерирует последовательность импульсов при вращении объекта; поворот на 360 град. соответствует одному или более импульсам. Затем последовательность импульсов обрабатывается и преобразуется в угол поворота и угловую скорость объекта. Датчик абсолютного типа выдает угол поворота объекта в двоичном коде. Оптический датчик состоит из диска с прорезями и светонепроницаемыми участками, причем каждая прорезь уникальна и соответствует определенному углу поворота. Источник света освещает одну сторону диска, а на другой стороне блок датчиков фиксирует световой шаблон (т. е. через какие свет проходит, а через которые – нет), которому соответствует цифровое значение угла поворота. Кодирование обычно осуществляется на основе модифицированного двоичного алгоритма, чтобы минимизировать ошибки смещения фотоэлектрических датчиков относительно прорезей в диске. Эта простая технология обеспечивает высокие разрешение (которое определяется числом прорезей на градус углового смещения или на оборот диска) и точность, а так же хорошую помехоустойчивость при передаче сигналов, поскольку не требует аналого-цифрового преобразования. Аналоговые измерительные устройства Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входную клемму контроллера. для корректной передачи сигнала между ними должны быть согласованы диапазоны и уровни сигналов, входные и выходные сопротивления. Большинство датчиков, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины: -электрические и магнитные характеристики; -параметры движения; -сила, момент и давление; -температура; -уровень заполнения емкости; -расход; -плотность, вязкость и консистенция; -концентрация (газа, жидкости, растворенных и взвешенных веществ); -химическая и биохимическая активность. Ниже представлен краткий обзор аналоговых датчиков, обычно используемых в системах управления.

Датчики движения (motion sensors) измеряют четыре кинематические величины: - перемещение (изменение положения, расстояния, степени приближения, размера); - скорость (включая угловую); - ускорение; - удар. Для измерения параметров движения применяются следующие типы устройств: - потенциометры для измерения перемещений; они работают как переменные резисторы; - датчики на основе принципа электромагнитной индукции, например дифференциальные трансформаторы, резольверы, синхротранс-форматоры (сельсины); - емкостные датчики для измерения малых перемещений, вращений и уровней жидкости; - пьезоэлектрические датчики для измерения давления, напряжения, ускорения, скорости, силы и момента (пьезоэлектрический материал деформируется под действием приложенной разности потенциалов или вырабатывает разность потенциалов при механическом воздействии); - лазерные датчики для точного измерения малых перемещений; - ультразвуковые датчики для измерения расстояний в медицинских приборах, системах автофокусировки фото- и телекамер, измерения уровня и скорости.

Пример - Резольверы применяются в приложениях, где требуется очень точное измерение угловых перемещений и скорости, например в сервосистемах и роботах. Выходной сигнал резольвера - это мера углового перемещения, дифференцирование этого сигнала дает угловую скорость. Резольвер работает на принципе измерения взаимоиндукции между двумя обмотками (рис. ). Ротор резольвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение vref. Статор состоит из двух обмоток, развернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих обмотках Пример - Резольверы применяются в приложениях, где требуется очень точное измерение угловых перемещений и скорости, например в сервосистемах и роботах. Выходной сигнал резольвера - это мера углового перемещения, дифференцирование этого сигнала дает угловую скорость. Резольвер работает на принципе измерения взаимоиндукции между двумя обмотками (рис. ). Ротор резольвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение vref. Статор состоит из двух обмоток, развернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих обмотках. Резольвер работает на принципе измерения взаимоиндукции между двумя обмотками (рис. ). Ротор резольвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение vref. Статор состоит из двух обмоток, развернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих обмотках соответственно, где θ - угловое положение ротора. Можно сказать, что выходные напряжения vо 1 и vо 2 представляют собой напряжение vref промодулированное величиной угла θ. Используя одно из выходных напряжений, можно однозначно измерить углы лишь в диапазоне 0 -90°, оба сигнала позволяют однозначно измерять углы от 0 е до 360°. Выход резольвера есть тригонометрическая функция угла. Эта нелинейность, однако, не всегда является недостатком. Например, при управлении вращающими моментами в роботах требуются именно тригонометрические функции углов поворота. Поэтому выходной сигнал резольвера можно непосредственно использовать для управления без дополнительного преобразования в реальном времени, которое увеличило бы загрузку управляющего контроллера. Проблемы при работе резольвера могут возникать только из-за щеток ротора (износ, дополнительные шумы и механические нагрузки). Резольверы поставляются в виде полнофункциональных автономных устройств.

Пример - Тахометр представляет собой генератор постоянного тока с постоянными магнитами, применяемый для измерения угловой скорости. Принцип его действия иллюстрируется рис. Рис. Принцип работы тахометра постоянного тока Магниты создают постоянное однородное магнитное поле. Движение проводника в поле индуцирует напряжение, пропорциональное скорости его вращения. Ротор непосредственно соединен с объектом, скорость вращения которого измеряется. Выходное напряжение, генерируемое в процессе вращения, снимается коллектором, который состоит из пары угольных щеток с низким сопротивлением.

Измерительные преобразователи давления В большинстве случаев автоматические измерительные преобразователи давления создаются на основе упругих чувствительных элементов – сильфонов и мембран. Сильфон можно соединить с движком потенциометра. Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Дифференциальный трансформатор выдает электрический сигнал пропорциональный перемещению мембраны. В основе работы тензорезистора лежит эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта является коэффициент тензочувствительности, который определяется как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника: - коэффициент тензочувствительности, где Е – модуль упругости, σ – механическое напряжение. - относительное приращение сопротивления; - относительное приращение длины.

Реостатные датчики Реостатными (потенциометрическими) датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей, представляющих собой реостат, движок которого движется под действием измеряемой неэлектрической величины. Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной – изменение сопротивления. Uвх – запитывающее напряжение реостатного датчика; Uвых – напряжение на выходе датчика; Rн – подключаемая нагрузка; L – длина реостатного датчика; х – измеряемое перемещение; β – коэффициент нагрузки, β = Rн / Rп (Rп – полное сопротивление датчика).

Тензорезисторные датчики В основе работы тензорезисторных датчиков лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников при их механической деформации. Тензометрические датчики способны измерять деформации порядка одного микрона. Тензометрические датчики бывают трех различных типов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Рис. а), б). Проволочные тензодатчики могут быть ненаклеиваемыми и наклеиваемыми, а полупроводниковые – наклеиваемыми и диффузионными. Для изготовления тензочувствительных элементов датчиков используются металлы, обладающие высокой температурной стабильностью, т. е. низким температурным коэффициентом сопротивления, что особенно важно при измерении статических напряжений.

Пьезоэлектрические датчики Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение, что называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом. Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. происходит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетевой соли и др. , так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца и др. На рис. показаны различные принципиальные схемы чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков. а) б) в) Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в частотно – цифровых приборах в качестве преобразователей различных неэлектрических величин, таких как давление, температура, ускорение, в частоту электрических колебаний. Высокой чувствительностью обладают пьезопреобразователи, работающие на изгиб.

Датчики производственных параметров на основе эффекта Холла Эффект Холла применяется для измерения напряженности магнитного поля. Датчики, использующие эффект Холла, относятся к генераторным рис. (а). Они сами вырабатывают электрическое напряжение, определяющее характеристики измеряемого магнитного поля. Если пластина полупроводника единичной толщины помещается в магнитное поле с напряженностью Н, а вдоль нее течет ток величиной I при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнитного поля, то на боковых гранях этой пластины возникает разность потенциалов U 0 , определяемая выражением: U 0=KH I H, где KH – постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей зарядов (электронов и ионов) в материале пластины. Рис. а

Переключательные и логические элементы Переключательные устройства и распределители предназначены для включения, отключения и переключения электрических цепей в электроприводе и потоков жидкости или газа в пневмо – и гидроприводе. Электромагнитные контактные реле Одним из основных электрических аппаратов, осуществляющих под воздействием поступающего на них дискретного электрического сигнала коммутацию в электрических цепях различных систем, применяющихся в системах автоматизации - является электромагнитное контактное реле.

Такое реле по конструкции представляет собой базу (обычно пластину) из электроизоляционного материала, на которой закрепляются катушка – соленоид со втягивающимся в нее стальным сердечником и изолированные друг от друга пары контактов. Нейтральное реле имеет два устойчивых состояния, а именно: контакты реле замкнуты и разомкнуты. В схемах электроавтоматики часто используют реле, которые чувствительны к направлению тока в обмотке. Такие реле называются поляризованными.

Обмотка реле на схеме обозначается буквами РП, при которых ставится порядковый номер данного реле, заданный разработчиком этой схемы. На рис. б изображен замыкающий контакт, на рис. в – размыкающий контакт, а ни рис. г. Изображен перекидной контакт, т. е. такой контакт, при срабатывании которого одна пара контактов замыкается, а другая - размыкается. Разница между импульсным и потенциальным сигналами в цепях управления заключается не в их сравнительной длительности , а в том, что импульсный сигнал через то или иное время, которое может быть достаточно большим, снимается сам собой, а потенциальный сигнал требует для своего снятия подачи второго управляющего сигнала, хотя бы этот второй сигнал следовал сразу же за первым. Контакты предваряются цифрой, обозначающий порядковый номер данной пары контактов в этом реле. Источником дискретных сигналов для релейных электроконтактных переключательных схем могут быть любые аппараты с электрическим выходом. То есть могут быть кнопки, осуществляющие подачу сигналов «Пуск» и «Стоп» и т. д. Кнопки, на которые непосредственно нажимает оператор, обозначаются КН, а справа при них пишется цифра, которая, как и в предыдущем случае, обозначает порядковый номер данной кнопки в схеме. Кнопки бывают замыкающими «Пуск» (рис. а), и размыкающими «Стоп» (рис. б). Путевые, или конечные, выключатели графически изображаются так же, как и кнопки, но сопровождаются цифрой, которая, как и в предыдущем случае обозначает порядковый номер путевого выключателя. На рис. в изображен замыкающий путевой выключатель, а на рис. г размыкающий путевой выключатель.

Особое место в схемах электроавтоматики занимают контакторы. Контакторами называются электромагнитные аппараты, предназначенные для включения и отключения силовых цепей. Контакторы, предназначенные для включения и отключения трехфазных асинхронных электродвигателей, называются магнитными пускателями. На рисунке приведены обозначения на принципиальных релейно – контактных схемах потребителей дискретных сигналов. Примером типовых решений, используемых при разработке принципиальных релейно – контактных схем, может служить схема постановки на самопитание. Согласно этой схеме реле, поставленное на самопитание, остается включенным и после того, как оператор перестает нажимать на пусковую кнопку. Рис. Типовая принципиальная релейно – контактная схема постановки на самопитание.

Логические элементы Современные системы автоматизации производственных процессов в машиностроении часто требуют построения цепей. Где реализуется достаточно сложная логика преобразования дискретных входных сигналов в выходные дискретные. Такое логическое преобразование осуществлялось с помощью релейно – контактных элементов, но в последнее время осуществляется с помощью дискретных логических компонентов транзисторных переключательных схем, реализующих те или иные логические функции. Рис. Обозначения логических элементов: а – инвертирующий элемент; б – элемент конъюнкции; в – элемент дизъюнкции К числу таких логических элементов относятся: - элемент инвертирования входного дискретного сигнала, эквивалентный размыкающему контакту, что показано на рис. а; - элемент конъюнкции (логического умножения) двух входных дискретных сигналов, эквивалентный последовательному соединению, что показано ни рис. б; - элемент дизъюнкции (логического сложения) двух входных дискретных сигналов, эквивалентный параллельному соединению, что показано на рис. в.

Типовые способы измерения производственных параметров Где используются высокие мощности, например в коммутирующем оборудовании, электродвигателях, трансформаторах, что характерно для технологического оборудования механической обработки, необходимо осуществлять гальваническую развязку измерительных цепей датчиков от силовых цепей. Простейшим разделяющим элементом, обеспечивающим такую развязку, можно считать электромагнитное реле. Современным решением задачи гальванической развязки является реализация этой развязки на паре светодиод – фототранзистор. Такого рода сочетание называется трансоптором, или оптроном. Для подключения к системам автоматизации производственных процессов, в машиностроении используются три измерительные схемы: мостовая, дифференциальная и компенсационная. Мостовая измерительная схема. МИС, существующая в двух разновидностях (балансной и небалансной) изображена на рис. На противоположных плечах моста размещаются эталонные сопротивления R 1, R 2, R 3, а также измеряемое сопротивление Rх, Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения величин сопротивлений, установленных в противоположных плечах измерительного моста, были равны между собой. При соблюдении условий равновесия измерительного моста напряжение на его выходной диагонали будет отсутствовать, т. е. Uвых = 0. При изменении измеряемого сопротивления Rх условия равновесия моста будут нарушаться и на этой диагонали появится соответствующий электрический сигнал. Точность можно повысить, изменяя сопротивления R 1, R 3. Использование нуль – индикатора позволяет с большей точностью «ловить» момент равенства нулю выходного напряжения. Рис. Мостовая измерительная схема

Дифференциальная измерительная схема Для измерения емкостного сопротивления обычно используется дифференциальная схема. Такая схема существует в двух вариантах. По первому варианту дифференциальной схемы, изображенному на рисунке а), как эталонное сопротивление 4, так и измеряемое сопротивление 1 включаются в электрические контуры, симметрично запитываемые переменным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного 4 и измеряемого 1 емкостного сопротивлений противоположно направленные токи в этих контурах ( I 1 и I 2 ), будут равными по величине, так что результирующий ток через измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, поскольку этот ток представляет собой разность токов I 1 и I 2. При изменении величины емкостного сопротивления показания измерительного прибора 3 будут отличаться от нуля и однозначно изображать эти изменения емкостного сопротивления. Такая схема называется дифференциальной именно потому, что она основана на вычитании токов I 1 и I 2. Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопротивления с помощью дифференциальной схемы приведен на рисунке б). Также происходит вычитание токов I 1 и I 2 , но изменение измеряемого емкостного сопротивления 1 компенсируется изменением напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается равным нулю. Величина ∆Е, на которую нужно изменить исходное напряжение Е, однозначно определяет величину изменения измеряемого емкостного сопротивления. Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор позволяет использовать его как нуль – индикатор, что повышает точность измерений. Компенсационная измерительная схема Для использования сигнала от генераторных датчиков применяется компенсационная схема измерительная. Суть работы компенсационной схемы состоит в том. Что подбирается значение ЭДС источника, равное ЭДС, генерируемой датчиком. Факт равенства подбираемой и генерируемой датчиком ЭДС определяется по отсутствию тока в соответствующем контуре. Факт же отсутствия тока в контуре определяется по показаниям прибора, являющегося нуль – индикатором. При этом не требуется измерять абсолютную величину протекающего тока, а требуется лишь определить факт равенства этого тока нулю. Этим и обусловливается высокая чувствительность компенсационной схемы с нуль – индикатором.