При неизменной температуре одного спая (02=const)
£e = f(ei)-C = F2(©1).
Эта зависимость используется для измерения температуры в
термоэлектрических ИП, которые состоят из двух термоэлектродов, называемых термопарой (рис. 16. 15).
Для измерения термо-ЭДС Ев применяют электроизмерительный прибор (милливольтметр, потенциометр). Точка соединения термоэлектродов 1 называется рабочим концом термопары, точки 2, 2' ■— свободными концами.
Чтобы термо-ЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца ©Р, необходимо поддерживать температуру свободных концов ©с термопары одинаковой и неизменной.
Устройство, состоящее из термопары, линии связи и электроизмерительного прибора или потенциометра, называется термоэлектрическим термометром.
Градуировка термоэлектрических преобразователей производится обычно при температуре свободных концов, равной 0°С. При
Рис. 16.16. Цепь для автоматического введения поправки на температуру свободных концов. |
г Рис. 16.15. чения при термопары. |
|
практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары не равна 0° С, и поэтому в результат измерения необходимо вводить поправку.
Широко применяются методы автоматического и полуавтоматического введения поправки на температуру свободных концов. Термопару включают в измерительную диагональ моста, питаемого от стабильного источника постоянного напряжения U0. Три плеча моста, резисторы которых изготовлены из манганина, имеют постоянные сопротивления, а четвертый резистор Re изготовлен из медной проволоки и расположен в одном месте со свободными концами термопары. Следовательно, он находится при температуре 0, равной температуре свободных концов термопары ©с. Мост уравновешен при температуре резистора R&, равной 0° С. Изменение температуры © вызовет изменение выходного напряжения моста ДU, компенсирующее изменение напряжения, возникающее на выходе термопары.
При измерениях высоких температур, а также при измерениях с повышенной точностью применяются термопары из благородных металлов, преимущественно платино-платинородиевых. Погрешность от нестабильности характеристик платино-платинородиевой термопары составляет около 0,1—0,2%. Термопары из неблагородных металлов — хромель-алюмелевых, хромель-копелевых
и др. — дешевы и более чувствительны, чем термопары из благородных металлов, но уступают им в стабильности характеристик и рассчитаны на измерение более низких температур (табл. 16.1).
Таблица 16.1. Основные характеристики термоэлектрических преобразователей
|
Термоэлектроды термопары соединяют друг с другом путем пайки или сварки и помещают в защитную арматуру, предохраняющую термопару от действия химически агрессивных газов. В качестве защитной арматуры применяют трубы из специальных сталей, а для термопар из благородных металлов — кварцевые и керамические трубы.
Для измерения термо-ЭДС термопар используются милливольтметры и потенциометры с низким пределом измерения (до 100 мВ) как с ручным, так и автоматическим уравновешиванием. В последнем случае сопротивление линии не вызывает погрешности измерения, так как ток, потребляемый потенциометром при измерении, практически равен нулю. Автоматический потенциометр может производить запись показаний, а также осуществлять сигнализацию или регулирование.
В тех случаях, когда термо-ЭДС измеряется милливольтметром, возникает погрешность, обусловленная колебаниями сопротивлений термоэлектриков и линии связи при изменении температуры. Так как сопротивление милливольтметра обычно в 40—50 раз больше сопротивления линии и в сотни раз больше сопротивления термоэлектродов, то погрешность вследствие изменения температуры линии и термоэлектродов невелика (меньше 1%). Инерционность термопар в обычной арматуре равна нескольким минутам.
16.8. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электрохимические ИП служат для определения свойств или состава растворов. Выходным параметром ИП является электрическая величина, например ЭДС, падение напряжения от проходящего тока, электрическое сопротивление и т. д.
В качестве примера рассмотрим принцип действия электролитических ИП. Электролитические ИП служат для измерения концентрации электролитов. Их работа основана на зависимости удельного сопротивления электролита от его концентрации.
Преобразователь, применяемый в лабораторных условиях, представляет собой сосуд с двумя электродамп (электролитическая ячейка), сопротивление между которыми зависит от концентрации раствора (рис. 16.17).
Для промышленных непрерывных измерений ИП выполняются проточными, причем часто применяются конструкции, в которых вместо второго электрода используются стенки сосуда. Сосуд в этом случае должен быть металлическим. Материал сосудов и электродов зависит от природы электролита.
При прохождении постоянного тока через электролит происходит электролиз раствора, что приводит к искажению результатов измерения. Поэтому электролитический ИП обычно включают в схему неуравновешенного моста, питаемого от стабильного источника переменного напряжения частотой 700—1000 Гц. В измерительную диагональ мосга включается выпрямительный миллиамперметр, шкала которого про- градуирована в значениях концентрации раствора электролита.
Для устранения влияния температуры на сопротивление электролита применяют схемы температурной компенсации или стабилизируют температуру раствора с помощью холодильника или термостата.
16.9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № |5. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОРЕЗ ИСТОРОВ
Для измерения сопротивления медного терморезистора в данной работе применен одинарный неуравновешенный мост ABCD, в одно из плеч которого включен терморезистор Rlt а в остальные три плеча — стабильные резисторы (рис. 16.18). Мост питается от источника напряжения постоянного тока. Ток I в микроамперметре, включенном в измерительную диагональ моста АС, является функцией измеряемой температуры 0. Сопротивление резисторов R= = 100 Ом, а сопротивление регулируемого резистора R2 выбирается так, чтобы началу заданного диапазона измеряемой температуры © соответствовало равновесие моста.
Для уменьшения влияния изменений сопротивлений проводов Яя, соединяющих терморезистор с остальной частью схемы, применена трехпроводная линия связи.
Равновесие моста имеет место при условии
Рис. 16.17. Лабораторный электролитический преобразователь. |
Я» + Rд = + Ял или Я» = #а»
где Rw — значение Ru соответствующее начальной точке диапазона измеряемой температуры ©0, например 0о=О°С.
Равновесие моста не нарушается при изменении 1. Для выполнения п. 3 задания надо собрать схему на рис. 16.18, в которой стандартный медный терморезнстор с номинальным сопротивлением 50 Ом при 0° С имитируется магазином резисторов R{.
Сначала следует установить значение /?] = 50 Ом, соответствующее температуре терморезистора ©о=0°С, и уравновесить мост при помощи резистора R2 при напряжении питания моста Un=0,5 В. Затем, пользуясь
Рнс. 16.18. Принципиальная схема одинарного моста с трехпроводной линией связи (Rn-2,5 Ом; R = = 100 Ом).
номинальной статической характеристикой преобразования терморезистора, приведенной в табл. 16.2 установить Rt соответствующее температуре терморезистора 0=100° С, и, регулируя напряжение питания моста t/„, плучить ток / в измерительной диагонали моста, равный 200 мкА.
Таблица 16.2. Номинальная статическая характеристика преобразования медных терморезисторов типа ТСМ с номинальным сопротивлением 50 Ом при 0°С
|
Рассчитать по приближенной формуле ток!и протекающий по резистору Ri:
Л»г/п/(Я+ «!-{-аял).
Убедиться, что ток Л не превышает допустимого значения, равного 10 мА, для используемого медного терморезистора.
|
Сохраняя напряжение С/п неизменным и задавая различные значения Ri в соответствии с номинальной статической характеристи
кой преобразования, можно получить градуировочную кривую /= =/-(©).
2. Для выполнения п. 4 необходимо в цепи рис. 16.18 вместо резистора Ri включить медный терморезистор и подать напряжение U. Напряжение Un должно соответствовать значению, полученному при градуировке термометра.
Температуру воздуха определить по показаниям микроамперметра по градуировочной кривой /=F(0).
3. Для выполнения п. 5 надо медный терморезистор, включенный в мостовую цепь, поместить в водяную баню, установленную на электроплитке, и нагреть воду до кипения. После этого следует вынуть медный терморезистор из водяной бани и записывать показания микроамперметра через каждые 30 с до тех пор, пока изменение показаний микроамперметра за указанный интервал времени не станет меньше 1 мкА.
По градуировочной кривой определить зависимость температуры терморезисторов 6Т от времени t при его остывании,
Задание
1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для проведения работы, записать пределы измерения, системы, классы точности и заводские номера.
2. Зарисовать схему электрического термометра, представляющего собой неуравновешенный мост со стандартным терморезистором типа ТСМ.
3. Экспериментально определить градуировочную характеристику I=F(0) при ©=0-М00°С для электрического термометра. Построить кривую I=F(0).
4. С помощью электрического термометра измерить температуру окружающего воздуха.
5. Определить зависимость температуры терморезистора 0Т от времени при его остывании на воздухе. Построить зависимость 0Т =
6. По результатам п. 5 определить время остывания терморезистора от ©т = 100 °С до ©т=35 °С.
7. Составить отчет по требуемой форме.
ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
17.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Создание и эксплуатация современных машин и сооружений, контроль параметров и технологических процессов требуют организации измерений и контроля большого числа различных физических величин. Например, крупнейший в мире турбогенератор мощностью 1200 МВт, созданный на ленинградском объединении «Электросила» для Костромской ГРЭС, при испытаниях на стенде исследовался с помощью 1500 первичных ИП, при этом измерялись: вибрация корпуса, подшипников, основных частей обмотки; температура активной части стали, по которой замыкается магнитный поток; температура проводников, масла, водорода, охлаждающей воды; расход газа, масла и многие другие электрические и неэлектрические величины. Другой пример: контроль за состоянием гидротехнических сооружений и работой агрегатов электротехнических систем и аппаратов Саяно-Шушен- ской ГЭС осуществляется посредством примерно 3000 первичных ИП.
Понятно, что решение таких задач традиционными способами — подключением к каждому первичному ИП индивидуального ИП — просто невозможно уже хотя бы потому, что из-за большого количества приборов оператор не в состоянии следить за их показаниями. Подобного рода трудности возникают и при небольшом числе первичных ИП в случае контроля быстропротекающих процессов. Между тем в задачах такого рода измерительная информация, поступающая от первичных ИП, должна быть собрана, обработана и в удобной форме представлена оператору. Для этого применяется специальный вид средства измерений — измерительно-информационные системы (ИИС). Измерительно-информационная система представляет собой функционально объединенную совокупность средств измерения нескольких физических величин и вспомогательных устройств и предназначается для получения измерительной информации об исследуемом объекте в условиях его функционирования или хранения.
В зависимости от назначения ИИС подразделяются
на:
системы сбора измерительной информации от исследуемого объекта; такие системы часто называют просто измерительными системами;
системы автоматического контроля, предназначенные для контроля за работой разного рода машин, агрегатов или технологических процессов;
системы технической диагностики, предназначенные для выявления технической неисправности различных изделий;
телеизмерительные системы, предназначенные для сбора измерительной информации с удаленных на большие расстояния объектов.
Важнейшей разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИБК), получившие применение в последние годы. Так же как и ИИС, ИВК представляют собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации, предназначенные для применения на сложных объектах. Их отличительной чертой является наличие в системе свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения, а также для управления воздействием (если это необходимо) на объект исследования.
Первоначально ИИС разрабатывались индивидуально для каждой конкретной измерительной задачи, причем всякий раз заново разрабатывались не только структура системы, но и все ее функциональные узлы. Такой подход оказался нерентабельным — срок разработки затягивался, стоимость ИИС была высокой. Поэтому в настоящее время взят курс на агрегатный принцип построения, согласно которому ИИС строится из конструктивно законченных и выпускаемых серийно приборостроительной промышленностью функциональных узлов, объединенных общим алгоритмом функционирования.
Агрегатный принцип построения ИИС обладает рядом достоинств: резко сокращается срок разработки системы и ввод ее в действие; система просто перестраивается в процессе эксплуатации, если требования к ней изменяются; отдельные функциональные узлы можно легко заменить на более совершенные образцы и т. д.
Унифицированные функциональные узлы (блоки и модули), предназначенные для построения ИИС, образуют агрегатные комплексы Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).
17 2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСГЕМА ПРИБОРОВ И АГРЕГАТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
Работы по созданию ГСП как основной элементной базы для построения ИИС были начаты в СССР в 1960 г. В 1961 году в эту работу включаются страны — члены Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ); они принимают решение по созданию международной универсальной системы автоматического контроля, регулирования н управления — УРС. В разработке этой системы принимают участие СССР, ГДР, ЧССР, ПНР, НРБ, СРР. В Советском Союзе эти работы ведутся по линии ГСП.
Государственная система приборов предусматривает создание научно обоснованных рядов приборов и устройств с унифицированными характеристиками и конструктивным исполнением.
Устройства ГСП, предназначенные для решения определенных измерительных задач, объединяются в агрегатные комплексы. В настоящее время промышленность СССР выпускает около 20 агрегатных комплексов, среди них агрегатные комплексы средств электроизмерительной техники (АСЭТ), вычислительной техники (АСВТ), контроля и регулирования (АСКР), хронометрической техники (АСХТ), испытаний на прочность (АСИП) и др. Изделия, входящие в агрегатный комплекс, должны легко сопрягаться друг с другом без необходимости разработки каких-либо дополнительных устройств, не оказывать заметного взаимного влияния, иметь одинаковые условия эксплуатации. Для этого они должны обладать так называемой совместимостью. Различают пять видов совместимости изделий агрегатных комплексов: энергетическую, метрологическую, конструктивную, эксплуатационную и информационную. Учитывая важность этого положения, кратко рассмотрим каждый вид совместимости.
Энергетическая совместимость предполагает выбор одного рода энергии носителя сигналов в измерительных устройствах. Для этой цели в ГСП предусмотрено три вида энергии: электрическая (наиболее распространенная), пневматическая и гидравлическая. Последние обычно применяются в особых условиях эксплуатации ИИС, например во взрывоопасных помещениях и т. д.
Метрологическая совместимость обеспечивает сопоставимость метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранность во времени и под действием влияющих величин, а также возмол^- ность расчетного определения метрологических характеристик всего измерительного тракта ИИС по метрологическим хараткеристикам отдельных функциональных узлов, образующих измерительный тракт. При этом метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, а параметры входных и выходных цепей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровождалось заметными дополнительными погрешностями.
Эксплуатационная совместимость достигается согласованностью характеристик, определяющих действие внешних факторов на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. Для этого все средства делятся на группы по использованию в зависимости от условий окружающей среды, климатических и механических воздействий и т. д. Эксплуатационная совместимость создает возможность компоновки системы с заданными значениями параметров надежности и рабочими условиями эксплуатации.
Конструктивная совместимость обеспечивает согласованность конструктивных параметров, механическое сопряжение средств, согласованность эстетических требований. Достигается это путем нормирования единых форм элементов конструкций, установочных и присоединительных размеров, применения единой прогрессивной технологии изготовления и сборки конструкций, соблюдения единого стиля оформления.
Информационная совместимость средств обеспечивает согласованность входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения, порядку обмена сигналами. Информационная совместимость определяется унификацией измерительных сигналов и применением стандартных интерфейсов. Унификация измерительных сигналов означает, что их параметры не могут выбираться произвольно, а должны отвечать требованиям стандарта на эти сигналы. Так, для ИП с токовым выходом стандарт ГСП нормирует диапазоны изменения выходного тока 0—5 или 0—10 мА, а для ИП с выходным напряжением постоянного тока устанавливается диапазон изменения 0—10 В и т. д. Под интерфейсом понимаются электрические, логические и конструктивные условия, которые определяют требования к соединяемым функциональным узлам и связям между ними. Электрические условия определяют требования к параметрам сигналов взаимодействия и способу их передачи, логические — номенклатуру сигналов, пространственные и временные — соотношения между ними, конструктивные — конструктивные требования к элементам интерфейса: вид разъема, место его расположения, порядок распайки контактов и т. д.
Наиболее перспективными для ИИС и ИВК в настоящее время являются интерфейсы КАМАК (САМАС — Computer Application for Measurement And Control) и приборный интерфейс, рекомендованный Международной электротехнической комиссией (МЭК) в качестве международного стандарта.
Интерфейс КАМАК применяется в ИИС и ИВК, предназначенных для исследования сложных объектов с быстропротекающими процессами. Магистраль в таких системах содержит 86 параллельных проводников. Приборный интерфейс отличается большей простотой, его магистраль содержит только 16 проводников.
Изделия агрегатных комплексов, обладающие указанными видами совместимости, позволяют строить ИИС методом проектной компоновки. По быстроте построение ИИС данным методом можно сравнить со строительством здания из крупных панелей, которое возводится гораздо быстрее, чем здание из кирпичей.
17.3. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ ИИС
Структуры ИИС можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто в качестве признака классификации выбирают способ обмена сигналами взаимодействия, т. е. сигналами, которые обеспечивают согласованное преобразование информации всеми функциональными узлами системы.
Структура ИИС зависит также от принятого в системе способа управления — децентрализованного или централизованного. В первом случае состав и режим работы функциональных узлов постоянны — возможности такой системы ограничены, но она обладает простотой, компактностью и невысокой стоимостью. Во втором случае система содержит центральное устройство управления — контроллер, который задает режим работы функционал.ьных узлов, изменяет количество и состав взаимодействующих функциональных узлов, а также связи между ними, т. е. гибко изменяет функциональные возможности системы.
Структуры децентрализованных систем не отличаются многообразием. На рис. 17.1 показана одна из них с цепочечным соединением функциональных узлов ФУ\,......, ФУп. Все сигналы передаются но индивидуальным для каждого функционального узла шинам, а сами функ-
Рис 17.1. Цепочечная етрукту- Рис 17 2. Радиальная структура системы ра системы. |
циональные узлы выполняют заранее заданную операцию над информационным сигналом. Примером системы с цепочечной структурой могут служить системы централизованного контроля параметров технологических процессов. Такие системы обычно содержат: ряд первичных ИП; циклический коммутатор, посредством которого периодически каждый первичный ИП подключается к ИИС; ряд последовательно включенных групповых нормирующих ИП, предназначенных для фильтрации, масштабного преобразования и линеаризации выходных сигналов первичных ИП; аналого-цифровой ИП; специализированное устройство обработки информации и регистратор.
Структуры систем с централизованным управлением разнообразнее, к ним относятся структуры радиальная, магистральная, радиально-цепочечная и радиально-ма- гистральная.
Радиальная структура системы показана на рис. 17.2. Обмен сигналами взаимодействия между функциональными узлами ФУ происходит через контроллер. Это позволяет программировать ФУ путем подачи программных сигналов от контроллера, изменять порядок обработки информации и т. д. В данной структуре каждый функциональный узел подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Однако наращивать
число узлов в таких структурах трудно из-за усложнения контроллера.
ФУГ\ |
L3 |
ФУ, |
7> |
ik |
iz |
С |
Магисгтщаль |
[контроллер |
Магистральная структура показана на рис. 17.3. Особенность данной структуры заключается в наличии общей для всех функциональных узлов шины (однопро- водной или многопроводноп), по которой передаются сигналы взаимодействия. Эта шина называется магистралью. Адресный сигнал показывает, к какому функциональному узлу относится информация, находящаяся на других проводах ма-
Рис. 17.3. Магистральная структура системы.
гистрали. Магистральная структура легко позволяет наращивать число функциональных узлов в системе. Эта структура применяется для решения задач автоматизации различных экспериментальных исследований.
Радиально-цепочечная и радиально-магистральная структуры представляют собой комбинации рассмотренных выше структур.
Обобщенная структура ИИС показана на рис. 17.4. Информация от объекта исследования поступает на оп-
ЖС
L. Рис. 17.4. Обобщенная структура ИИС. |
ределенное множество первичных ИИ (ПИП), преобразуется в электрическую форму и передается на средства измерения и преобразования информации СИПИ, в которых выходные сигналы ПИП наиболее часто подвер
гаются следующим операциям: фильтрации, масштабированию, линеаризации, аналого-цифровому преобразованию. Затем сигналы в цифровой форме могут передаваться на цифровые средства обработки и хранения информации СОХИ для обработки по определенным программам или накапливания, а также на средства отображения информации СОИ для индикации или регистрации. Устройство формирования управляющих воздействий УФУВ посредством заданного множества исполнительных устройств ИУ воздействует на объект исследования для регулирования, тестирования и т. п.
В качестве СОХИ в ИИС применяются различные устройства от специализированных вычислительных устройств и микропроцессоров до универсальных ЭВМ. В последнем случае на ЭВМ возлагаются и функции устройства управления УУ.
В состав ИИС первичные ИП и исполнительные устройства не входят, выбор их типов и размещение на объекте производится специалистами — разработчиками объекта исследования. Современные сложные ИИС часто рассматривают как композицию трех комплексов — информационного (включающего средства измерения и преобразования информации и средства отображения информации), вычислительного (включающего средства обработки и хранения информации и устройства управления) и управляющего (включающего устройство формирования управляющего воздействия).
В последние годы сформировалась и выделилась в самостоятельное направление ветвь ИИС — измерительно-вычислительные комплексы (ИВК). Измерительно- вычислительные комплексы содержат две части: устройство связи с объектом УСО и вычислительную часть (рис. 17.5). Последняя в ИВК образуется свободно программируемой ЭВМ с развитым программно-математическим обеспечением ПМО. Электронно-вычислительная машина управляет в ИВК всеми процессами сбора и обработки информации. Структура ИВК может иметь один или два уровня. Одноуровневая структура содержит одну магистраль-—магистраль ЭВМ, к которой подключены все устройства ИВК Двухуровневая структура (рис. 17.5) содержит две магистрали — приборов и ЭВМ. Сигналы взаимодействия между магистралями передаются через системный контроллер — транслятор ТР.
Управление ИВК от ЭВМ осуществляют специальные
программы-драйверы. В результате изменения структуры и методов обработки измерительной информации программным путем можно легко приспосабливать ИВК к особенностям объекта исследования.
В качестве ЭВМ и ИВК широко используются так называемые мини-ЭВМ. До последнего времени в соста-
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 17 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
