7)Устройства измерения параметров технологических процессов

 

Любая система автоматического управления независимо от своего назначения имеет устройство сравнения (различитель), без которого невозможно реализовать отрицательную обратную связь.

Устройство сравнения (вычитающее устройство) — это элемент, дающий сигнал ошибки на основании сравнения сигналов входного и обратной связи. Одновременно с операцией вычитания различитель может и усиливать сигнал. На струк­турных схемах он изображается так, как показано на рис. 9.5.

На входы различителя  поступают задающий сигнал g (t) и сигнал об-ратной   связи   ,   а  на  выходе формируется сигнал

 

,

 

где k — постоянный коэффициент пре­образования.

В соответствии с функциями, ко­торые выполняют устройства сравне­ния, их часто называют устройствами измерения.

К схемам устройств сравнения (различителям) предъявляются сле­дующие требования: 1) высокая чув­ствительность, которая не должна зависеть от значения и закона изме­нения регулируемой величины; 2) высокая точность измерений; 3) малое потребление энергии (элект­роэнергии), в связи с чем схема устройства сравнения электри­ческой системы обычно имеет высокое входное сопротивление. Мощность выходного сигнала должна быть большой, т. е. уст­ройство должно иметь высокий кпд; 4) быстродействие схемы должно обеспечивать хорошее слежение за изменением изме­ряемой величины; 5) зона нечувствительности схемы должна быть минимальной.

В системах автоматики применяются механические, электроме­ханические и электрические устройства сравнения. Последние по принципу построения делятся на три группы:

1) устройства, выполненные на линейных элементах (например, резисторах); 2) устройства, выполненные на нелинейных элемен­тах (L- и С-элементах, полупроводниках); 3) регенеративные схемы, являющиеся сочетанием измерительного устройства с преобразо­вателем электрического сигнала одного вида в другой.

В качестве устройства сравнения часто применяются четырехплечие мосты (рис.9.6). В три плеча этого моста включены из­вестные сопротивления ,  и , а в четвертое — сопротивление датчика . Сопротивления плеч моста могут быть активными и реактивными. Измерительные мосты работают как на постоянном, так и на переменном токе. Когда сопротивление датчика таково, что выполняется условие

 

                                                                                            (9.8)

 

то потенциалы точек а и б равны и выходное напряжение равно нулю (U_вых = 0). Условие (9.8) является условием равновесия мо­ста. Если регулируемая величина не равна заданной, то условие (9.8) не выполняется и на выходе моста появляется напряжение U_вых, которое используется   в   системе   для целей управления.

Чувствительность   мос­товой схемы по току

 

            (9.9)

 

где  — ток в нагрузке .

Чувствительность      по напряжению

 

                                                                                   (9.10)

 

Передаточная функция моста определяется харак­тером сопротивлений плеч. В случае активных сопротивлений элемент сравнения считается безынерционным, т. е. его переда­точная функция W (s) = k. В том случае, когда в системе автома­тики информация передается путем изменения какого-либо из параметров электрического сигнала (уровня напряжения или тока, амплитуды, фазы или частоты гармонических колебаний), используется соответствующий тип различителя (различитель уровня, фазы или частоты).

Различитель уровня предназначен для измерения разности двух входных напряжений. Такое измерение можно осуществить, исполь­зуя электромагнитное устройство (например, трансформатор или магнитный усилитель). На рис. 9.7, а показан различитель, выпол­ненный по схеме трансформатора. Выходное напряжение пропор­ционально разности входных напряжений:

 

                                               ,                   (9.11)

 

где  — коэффициент трансформации.

Широко используются также сравнивающие устройства, постро­енные на двух лампах или транзисторах. На рис. 9.7, б изображен параллельно-балансный каскад, применяемый в качестве разли­чителя. Схема выполнена на двух транзисторах  и . Делители напряжения R1, R2 задают начальные смещения на базы триодов  и , а их эмиттеры включены через сопротивление R_э. Для того чтобы выходное напряжение U_вых было равно нулю при отсутствии входных сигналов  и  или при их равенстве, источник питания Е_к подключают к коллекторным сопротивлениям R_K каскада через переменное сопротивление R_П. В этих каскадах практически отсутствует дрейф, а коэффициент усиления значительно выше, чем в однотактных усилителях. Напряжение на выходе

 

                                                                             (9.12)            

 

 — коэффициент усиления по напряжению.