Разрешающая способность этого датчика равна 3 страница

Рис. 3.5. Релейные характеристики однотактного магнитного усилителя: 1 – аналог контактного реле с замыкающим контактом; 2 – аналог контактного реле с памятью; 3 – аналог реле с размыкающим контактом

В схемах промышленной автоматики применяют однотактные МУ серий УМ и ТУМ. Последние имеют тороидальные ленточные сердечники, два комплекта рабочих обмоток и семь обмоток подмагничивания. Их основные параметры: выходная мощность 2–45 Вт, коэффициент усиления по мощности от 740 до 2400, постоянная времени = 0,2–0,4 с.

Усилители серии УМ выполняют в однофазном УМ1П и трехфазном УМ3П исполнении с мощностью до 21 кВт.

3.2.2. Двухтактные магнитные усилители

Двухтактные МУ применяют, когда необходимо иметь реверсную статическую характеристику и равный нулю ток холостого хода. Для этого используют два однотактных МУ и включают их по схеме суммирования напряжений либо токов. Наиболее распространены дифференциальные и мостовые схемы с суммированием токов. В дифференциальных схемах для питания МУ используют трансформатор со средней точкой вторичной обмотки, в мостовых – балластные резисторы для образования моста. На рис. 3.6 приведены мостовая схема и характеристики двухтактного (реверсивного) МУ, состоящего из двух однотактных МУ с самоподмагничиванием и выходом на постоянном токе, обмотки управления которых соединены последовательно и встречно, а обмотки смещения последовательно и согласно.

Рис. 3.6. Мостовая схема (а) и статические характеристики (б) двухтактного МУ с выходом на постоянном токе в нагрузке: А1, А2 – однотактные МУ; – балластные резисторы

При таком соединении обмоток и с ростом входного сигнала в положительном направлении ток , создаваемый усилителем А1 в нагрузке, будет возрастать, а ток усилителя А2 – падать, а при росте тока , в отрицательном направлении изменение токов будет обратным. Ток в нагрузке в рабочей зоне изменяется пропорционально току в обмотке управления, а его направление определяется знаком (полярностью) входного сигнала.

На рис. 3.7 представлена дифференциальная схема включения магнитных усилителей с выходом на переменном токе.

Рис. 3.7. Принципиальная электрическая схема двухтактного магнитного усилителя с выходом на переменном токе

В этой схеме обеспечивается нулевой ток холостого хода, а при изменении знака входного сигнала изменяется фаза тока нагрузки.

3.3. Релейные преобразовательные устройства

3.3.1. Общие положения

Реле (релейный элемент) – это устройство, преобразующее плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной величины.

Основные виды статических характеристик релейных устройств приведены на рис. 3.8.

Они могут быть: а) по количеству значений, принимаемых выходной величиной, двухпозиционными (рис. 3.8, а–г) и трехпозиционными (рис. 3.8, д, е); б) по знаку выходной величины – нереверсивными (рис. 3.8, а–в) и реверсивными (рис. 3.8, г–е); в) по наличию зоны возврата (зоны неоднозначности) – с наличием зоны возврата (рис. 3.8, а–д) и без зоны возврата (рис. 3.8, е).

Двухпозиционный релейный элемент имеет два устойчивых состояния: , (или ), а трехпозиционный элемент – три устойчивых состояния , 0, – .

Наличие зоны возврата у большинства релейных элементов приводит к неоднозначности выходной величины при увеличении и уменьшении входной величины.

В общем случае, релейные элементы характеризуются следующими параметрами (см. рис. 3.8):

– пороги переключения (параметры срабатывания и отпускания);

, – выходные сигналы, соответственно, максимальное и минимальное значение выходной величины;

– зона возврата (ширина зоны неоднозначности);

– зона нечувствительности;

– коэффициент возврата, характеризующий относительную ширину зоны возврата;

– мощность срабатывания (минимальная мощность входного сигнала, вызывающая срабатывание реле);

– выходная (коммутируемая) мощность, где - максимальный отключаемый ток, – напряжение источника питания;

– коэффициент усиления сигнала по уровню;

– динамические параметры релейного элемента, соответственно, время срабатывания и время отпускания.

Реле классифицируют по различным признакам: а) по назначению – реле управления, защиты, сигнализации, времени; б) по способу воздействия на выходную цепь (по виду исполнительной части реле) – контактные и бесконтактные реле; в) по виду входного сигнала – реле тока, скорости, уровня и т.д.; г) по роду энергии источника питания – электрические, пневматические, гидравлические и другие реле.

Рис. 3.8. Статические характеристики нереверсивных двухпозиционных (а–в) и реверсивных (г–е) релейных элементов: характеристики прямая (а), обратная (б), нейтрального электромагнитного реле (в), реверсивная двухпозиционная (г), трехпозиционные с зоной возврата (д) и без зоны возврата (е)

Контактные реле по принципу действия могут быть электромагнитными, магнитоэлектрическими, тепловыми и т.д., бесконтактные реле – магнитными, полупроводниковыми, электронными.

В контактных реле скачок выходного сигнала обеспечивается замыканием или размыканием контакта реле, а в бесконтактных реле – резким изменением параметров выходной цепи.

3.3.2. Электромагнитные реле

Электромагнитные реле находят наиболее широкое применение в схемах автоматики. По роду тока различают реле постоянного тока и реле переменного тока. По реакции на полярность реле постоянного тока делят на нейтральные и поляризованные.

На рис. 3.9. представлены схемы нейтральных электромагнитных реле постоянного тока. Реле с поворотным (рис. 3.9, а) и втягивающим якорем (рис. 3.9, б) содержат магнитопровод 1, обмотку 2, возвратную пружину 3, контакты 4, ограничитель хода якоря 5, якорь 6 и немагнитную прокладку 7 для исключения залипания якоря. Безъякорное электромагнитное реле (рис. 3.9, в), называемое герконовым, содержит магнитоуправляемый герметизированный контакт (стеклянная ампула, заполненная инертным газом, в которую впаяны упругие ферромагнитные пластинки, выполняющие роль контактов и части магнитопровода) и обмотку.

Принцип действия электромагнитных реле весьма прост. При подаче на вход реле напряжения в обмотке возникает ток, который создает магнитный поток, под действием которого якорь притягивается к сердечнику, вызывая изменение состояния контактов: их замыкание или размыкание. В герконовом реле магнитный поток, создаваемый током обмотки, намагничивает ферромагнитные пластинки противоположной полярностью, вызывая взаимное притяжение.

В герконовых реле на концах пластин наносится слой серебра (золота или родия) для уменьшения переходного сопротивления контактов, а также для исключения их залипания.

Поляризованные реле реагируют на величину и знак входного сигнала. Это достигается введением в магнитную цепь реле постоянного магнита, который создает подмагничивающий (поляризующий) поток. Поляризованное реле может иметь двух- или трехпозиционную настройку (см. рис. 3.8, г, д).

Электромагнитные реле переменного тока по устройству и принципу действия аналогичны электромагнитным реле постоянного тока. Их особенностью является пульсация магнитного потока, обусловленная синусоидальным характером тока. Электромагнитная сила притяжения якоря к сердечнику, пропорциональная квадрату магнитного потока, будет пульсировать с удвоенной частотой и вызывать вибрацию якоря. Для устранения вибрации применяют короткозамкнутый виток, устанавливаемый на расщепленном полюсе сердечника.

Рис. 3.9. Электромагнитные реле с поворотным (а), втягивающим якорем (б) и герконовые (в)

3.3.3. Полупроводниковое реле

Полупроводниковые реле могут быть выполнены с контактным и бесконтактным выходом.

Полупроводниковое контактное реле (рис. 3.10, а) представляет собой сочетание полупроводникового усилителя на транзисторе VT и электромагнитного реле К. Введение усилителя повышает чувствительность реле.

Транзисторное бесконтактное реле представляет собой в общем случае двухкаскадный усилитель постоянного тока с положительной обратной связью, благодаря которой усилитель приобретает релейную характеристику.

Полупроводниковое бесконтактное реле, приведенное на рис. 3.10, б, представляет собой триггер Шмитта, выполненный на интегральных логических элементах И-НЕ (микросхеме D1). Такое реле имеет двухпозиционную характеристику (см. рис. 3.8, а).

Фотоэлектрическое реле с контактным выходом (рис. 3.10, в) состоит из фотодиода VD1, усилителя на транзисторе VT и выходного электромагнитного реле К. При затемнении фотодиода его сопротивление в непроводящем направлении велико, транзистор заперт и сигнал на выходе реле отсутствует (контакт К разомкнут). При освещении фотодиода его сопротивление обратному току многократно уменьшается, возникает ток в цепи базы, транзистор отпирается, вызывая срабатывание реле К и появление сигнала на выходе.

Оптоэлектронное реле (рис. 3.10, г) имеет оптронную гальваническую развязку между цепями управления и нагрузкой и бесконтактный выход. При подаче сигнала управления светодиод оптрона VT1 излучает свет, который открывает его фототранзистор. В результате этого транзистор VT2 закрывается, а тиристор VS, коммутирующий нагрузку, открывается, вызывая протекание через нагрузку пульсирующего тока (тиристор VS открывается каждый полупериод).

При тиристор закрывается, ток в нагрузке становится равным .

Рис. 3.10. Полупроводниковое реле: контактное (а); бесконтактное (б); фотоэлектрическое с контактным выходом (в); оптоэлектронное (г)

3.3.4. Гамма-реле

Гамма-реле используется как радиоизотопные датчики – реле уровня материала в емкости, положения подвижных объектов и др.

Гамма-реле (рис. 3.11) состоит из источника -лучей (свинцовый контейнер с выходным каналом, в котором размещается радиоизотопный элемент, например кобальт), приемника П (газоразрядный счетчик), электронного блока ЭБ и выходного электромагнитного реле К.

Входным сигналом гамма-реле является параметр, изменяющий интенсивность -лучей (например, уровень материала в бункере, плотность вещества и др.). Изменение интенсивности -лучей вызывает изменение выходного сигнала приемника, который через ЭБ изменяет состояние выходного реле. Такое реле имеет нереверсивную двухпозиционную характеристику.

Рис. 3.11. Гамма-реле

3.3.5. Тепловые реле тока

В тепловых реле осуществляется преобразование теплового воздействия электрического тока в механическое перемещение воспринимающего элемента, либо в изменение его электрических параметров.

Воспринимающим элементом тепловых реле с механическим перемещением является биметаллический элемент (две соединенные металлические пластинки с разными температурными коэффициентами линейного расширения). При нагреве биметаллическая пластина прогибается в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом линейного расширения. Усилие, развиваемое биметаллической пластиной при нагреве, используется для приведения в действие исполнительной части реле-контакта.

На рис. 3.12, а представлен один из вариантов теплового биметаллического реле. При протекании тока через биметаллическую пластину 1, размещенную в корпусе 5, последняя через штифт 3 воздействует на упругий рычаг 2 с подвижным контактом. Неподвижным контактом служит регулировочный винт 4, с помощью которого можно регулировать параметр срабатывания реле.

Рис. 3.12. Тепловое биметаллическое реле (а) и его временная характеристика (б)

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока , протекающего через пластину (рис. 3.12, б). Время срабатывания тем меньше, чем больше ток превышает ток срабатывания :

где – постоянная времени нагрева реле.

Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле не применяются для защиты от токов короткого замыкания.

Более надежны и имеют высокое быстродействие релейные устройства, использующие в качестве чувствительных элементов термисторы и позисторы, встраиваемые непосредственно в нагреваемые части объектов, например в статор электродвигателя. На таком принципе выполняются устройства непосредственного контроля температуры и защиты объектов от перегрева.

3.3.6. Реле времени

Реле времени используются для задержки во времени передаваемых сигналов, а также для создания программных устройств, формирующих управляющие сигналы в функции времени.

Реле времени – это устройство релейного типа, имеющее специальный узел (или приставку), обеспечивающую задержку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (снятия) входного сигнала.

В системах автоматики широко применяют электромагнитные, электронные, моторные реле времени с различными способами замедления работы реле.

Электромагнитные реле времени с электрической (схемной) задержкой представлены на рис. 3.13. В этих случаях замедляется скорость нарастания (спада) тока в катушке реле за счет включения в ее цепь индуктивности L (рис. 3.13, а), резистора R и емкости С (рис. 3.13, б), резистора R (рис. 3.13, в) и диода V (рис. 3.13, г).

В электромагнитных реле для замедления их работы используют также электромагнитное демпфирование с помощью гильз (латунных, медных или алюминиевых), размещаемых на магнитопроводе реле.

Электрические и электромагнитные способы позволяют получить задержку работы реле в диапазоне 0,15–10 с.

Пневматические приставки позволяют получить в электромагнитных реле, например РВП-72, значительно большую выдержку времени (до 180 с).

В электронном реле времени с контактным выходом (рис. 3.14, а) задержку обеспечивают включением RC-цепи на входе усилителя. Если входной сигнал «0» (контакт S разомкнут), то реле К обесточено, и его входной контакт разомкнут (сигнал «0»). Пусть в момент времени (рис. 3.12, б) контакт S замыкается. Тогда сработает реле К, а конденсатор С зарядится через диод VD до напряжения питания . При размыкании S в момент конденсатор С разряжается через резисторы R1, R2 и переход Э-Б, удерживая транзистор и реле включенными. Выдержка времени регулируется изменением R2 или С от долей секунды до сотен минут.

Рис. 3.13. Электромагнитные реле времени с задержкой, создаваемой включением дросселя (а), R, C – элементов (б); резистора (в) и диода (г)

Промышленность выпускает также электронные реле времени с бесконтактным выходом типа ВЛ-28, ВЛ-35.

Моторное реле времени (рис. 3.15) позволяет получить автономно регулируемые выдержки времени по нескольким выходным цепям, что позволяет использовать это реле при программном управлении. Привод реле осуществляется маломощным синхронным двигателем М, который через редуктор Р передает вращение кулачковым дискам 2, положение которых на валу может изменяться при настройке требуемых выдержек времени. Кулачки дисков воздействуют на контакты 1. Изменяя положение диска относительно контакта, задают требуемую выдержку времени. В соответствии с рис. 3.15, б выдержка времени, например, на размыкание контакта, отсчитываемая относительно момента включения двигателя М на вращение против часовой стрелки, определится из выражения

где – угол установки диска в исходном состоянии реле; – угловая скорость вращения диска. Угол определяет время разомкнутого состояния контакта.

Рис. 3.14. Электронное реле времени (а) и временные диаграммы работы (б)

Рис. 3.15. Моторное реле времени (а) и его кулачковый диск с контактами (б): М – синхронный двигатель; Р – редуктор; 1 – контакты; 2 – кулачковый диск

Программное реле типа ВС 10/31 позволяет получить пределы выдержек по каждому контакту от 2 до 60 с, а реле ВС 10/38 – от 1 до 24 часов.

4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

4.1. Общие положения

Автоматические регуляторы (АР) в системах автоматики выполняют функции управляющих устройств: они вырабатывают управляющие сигналы для поддержания регулируемых величин (технологических параметров) на заданном уровне либо изменения их по определенному закону, а также могут обеспечивать функции индикации, сигнализации и ручного управления процессом.

В технической литературе используются разные понятия АР: «регулирующий прибор», «регулирующий блок», «регулятор промышленный», «регулирующее устройство». Состав их элементов и выполняемые ими функциональные задачи имеют в ряде случаев существенные различия. Поэтому для понимания сущности АР, на современном этапе их развития, целесообразно воспользоваться обобщенной функциональной структурой регулятора, представленной на рис. 4.1.

Элементы (модули) АР выполняют в разных регуляторах различный набор операций. Так модуль ввода МВ информационных сигналов в общем случае может выполнять следующие операции: потенциальное разделение сигналов (разделение по входу), их масштабирование, фильтрацию, функциональные преобразования (нелинейные, логические, динамические, математические), запоминание и др.

Сумматор является входным элементом регулятора, определяющим величину и знак рассогласования:

где – заданное и измеренное значения регулируемой величины.

Рис. 4.1. Обобщенная функциональная структура автоматического регулятора: МВ – модуль ввода сигналов от датчиков контролируемых параметров ( ); ЗД – задатчик значения регулируемой величины (модуль формирования заданий); – сумматор сигналов задания и контролируемых величин; МР – модуль формирования сигнала регулирования; МВВ – модуль вывода сигналов регулятора

В модуле МР вырабатывается сигнал регулирования . При этом над сигналом рассогласования выполняются такие операции, как усиление, демпфирование, нелинейные и динамические преобразования в соответствии с требуемым законом регулирования (например, ПИД-преобразование) и другие.

Выходной модуль МВВ в общем случае осуществляет над сигналом такие операции, как усиление по мощности, ограничение по максимуму и минимуму, потенциальное разделение выходных цепей регулятора и цепей исполнительных устройств (разделение по выходу), а также может обеспечивать ручное управление исполнительным механизмом, безударный переход с автоматического режима управления на ручной и обратно, сигнализацию предельных значений выходного сигнала, индикацию сигналов e и .

Выходной сигнал регулятора поступает в исполнительное устройство системы регулирования, которое изменяет поток энергии или вещества, подводимый к объекту, осуществляя тем самым процесс регулирования технологического параметра.

По способу технической реализации закона регулирования различают аппаратные (регуляторы с жестким алгоритмом функционирования) и программируемые (регуляторы с гибким алгоритмом функционирования) АР. Достоинством последних являются широкие функциональные возможности и быстрый переход с одного закона управления на другой.

По конструктивному исполнению АР могут быть приборными (для щитового монтажа), шкафными (для монтажа в шкафу) и контейнерными (для настенного монтажа).

По виду и уровню входного сигнала различают АР с естественными входными сигналами, получаемыми от измерительных преобразователей, и АР с унифицированными входными сигналами, например 0–5 мА, получаемыми от нормирующих преобразователей или датчиков с унифицированным выходом.

По роду используемой энергии АР могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими или комбинированными, например электрогидравлическими.

По характеру изменения выходного сигнала АР могут быть непрерывного действия (аналоговые) и прерывистого действия (дискретные). К последним относятся позиционные, импульсные и цифровые регуляторы. Позиционные регуляторы формируют выходной сигнал, принимающий значения или 0. Их применяют для регулирования параметров объектов, обладающих большой емкостью и малым запаздыванием, например, для регулирования температуры тепловых объектов. Импульсные регуляторы целесообразно использовать для регулирования медленно протекающих процессов в объектах, обладающих большой инерционностью и значительным запаздыванием. Их выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов постоянной частоты с изменяемой в функции рассогласования, как правило, длительностью.

В аналоговых регуляторах выходной сигнал является непрерывной функцией рассогласования. В цифровых регуляторах выходной сигнал представлен числом (кодом), изменяющимся в зависимости от величины и знака рассогласования.

По типу закона регулирования АР делятся на нелинейные (сигнал регулирования этих АР является нелинейной функцией рассогласования) и линейные. Последние по алгоритму регулирования, реализуемого регулятором, могут быть пропорциональными (П), пропорционально-интегральными (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД).

Самонастраивающиеся АР могут изменять автоматически свои параметры настройки и/или структуру в зависимости от состояния и условий функционирования управляемого объекта.

Таким образом, в настоящее время имеется большое разнообразие автоматических регуляторов, позволяющих решать задачи автоматического регулирования для различных технологических объектов и условий функционирования.

4.2. Регуляторы непрерывного действия

Современные аналоговые промышленные регуляторы, например, РБА, Р12 и др. строятся на базе операционных усилителей (ОУ), используя модульный принцип формирования универсального ПИД закона регулирования. Регулятор собирается из однофункциональных элементов на ОУ (сумматоров, интеграторов, дифференциаторов, демпферов, ограничителей и др.) таким образом, чтобы обеспечить независимую настройку параметров ПИД закона регулирования, записываемого выражением:

, (4.1)

где – коэффициент пропорциональности; – постоянные времени, соответственно дифференцирования, демпфирования (фильтрации), интегрирования.