Основные параметры элементов автоматики

Вес элементы автоматики представляют собой преобразователи энергии, на вход которых подается величина х, а с выхода снимается величина у. Для каждого элемента автоматики в установившемся режиме существует определенная зависимость y = f(x) между входным сигналом х и выходным у, называемая статической характеристикой элемента (рис. 3.4).

Кроме того, элементам автоматики независимо от их назначения присущи общие параметры: передаточный коэффициент (чувствительность, коэффициент усиления, коэффициент стабилизации), погрешность, порог чувствительности, характеристики в статическом и динамическом режимах.

Передаточный коэффициент элемента представляет собой отношение выходной величины у к входной х или отношение приращения Δу к приращению Δх.

Передаточный коэффициент в первом случае называется статическим передаточным коэффициентом:

,

а во втором — динамическим:

При линейной статической, характеристике элемента автоматики эти коэффициенты постоянны и равны между собой при всех значениях х и у. Численное значение их при одинаковых масштабах по осям х и у равняется тангенсу угла наклона характеристики: и . Размерность передаточного коэффициента определяется отношением размерностей входной и выходной величин. Например, для усилителя и стабилизатора он будет безразмерным, а для индуктивного датчика перемещения — размерным (в/см), поскольку размерность входной величины — см, а выходной — в.

В некоторых случаях, когда более удобно иметь безразмерный передаточный коэффициент, используют относительный передаточный коэффициент.

Знак передаточного коэффициента может быть положительным или отрицательным в зависимости от вида характеристики элемента.

Статические характеристики элементов автоматики по виду можно разделить на три группы: линейная, у которой динамический коэффициент положителен для всех значений х; нелинейная непрерывная и нелинейная разрывная (рис. 3.5).

Применительно к датчикам и некоторым другим элементам статические и динамические передаточные коэффициенты называют статическими и динамическими коэффициентами чувствительности, а применительно к усилителям — коэффициентами усиления.

Для стабилизаторов принимается во внимание обычно относительный коэффициент стабилизации, который представляет собой отношение относительного изменения входной величины к относительному изменению выходной величины:

Как видно из выражений, коэффициент стабилизации есть обратная величина относительного передаточного коэффициента, то есть

.

Погрешностью называется отклонение выходной величины у от ее расчетного значения вследствие изменения внутренних свойств элемента (износ, старение) и внешних условий (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды и т. п.). При оценке элементов автоматики, как и в измерительной технике, используют абсолютную и относительную погрешности.

В зависимости от причин, вызывающих погрешности, различают температурные, конструктивные, погрешности от колебания напряжения и другие.

В одних устройствах при небольшом изменении входной величины выходная остается неизменной. Это явление объясняется наличием в отдельных узлах элементов трения, свободного хода (люфта), гистерезиса и т.п. Количественная сторона этого явления оценивается величиной порога чувствительности, под которым понимают наименьшее значение входной величины, способное вызвать изменение выходной величины (рис. 3.6).

В других устройствах автоматики при постоянстве входной величины возникают самопроизвольные изменения выходной. Это объясняется внешними влияниями (изменение условий окружающей среды) и внутренними (например, старение элементов). Нестабильность выходной величины при постоянстве входной величины применительно к назначению элемента автоматики называют по-разному: помехи, шумы, плавание, дрейф и т. п.

Выше рассматривались характеристики элементов автоматики при неизменных величинах х и у во времени, то есть в статическом режиме. Условия работы элемента автоматики, когда его входная величина х и выходная величина у являются не установившимися, а изменяются во времени, называют динамическим режимом.

Поскольку элементы автоматики, как правило, обладают определенной инерционностью, то выходная величина изменяется с некоторым запаздыванием по отношению к изменению входной величины. Инерционные свойства элементов определяют работу систем автоматики в динамическом режиме и имеют решающее значение при анализе качественной и количественной сторон работы устройств автоматики. После скачкообразного изменения входной величины (рис. 3.7, а) выходная величина достигает своего установившегося значения не сразу, а через некоторое время, в течение которого в элементе происходит переходный процесс. Кaк известно, переходный процесс может быть затухающим апериодическим (рис. 3.7, б) или затухающим колебательным (рис. 3.7, в).

Разность между значениями выходной величины в динамическом и в новом установившемся режимах называется динамической погрешностью. Для практических целей желательно стремиться к тому, чтобы динамическая погрешность была минимальной.

Виды автоматизации

В зависимости от функций, выполняемых специальными автоматическими устройствами, различают следующие основные виды автоматизации: автоматический контроль, автоматическая защита и автоматическое управление.

Автоматический контроль включает в себя автоматические сигнализацию, измерение, сортировку и сбор информации.

Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений технологического процесса.

Автоматическое измерение предназначено для измерения и передачи на специальные указательные или регистрирующие приборы физических величин, характеризующих технологический процесс или работу машин. Обслуживающий персонал по показаниям приборов судит о качестве технологического процесса или о режиме работы машин и агрегатов.

Автоматическая сортировка предполагает контроль и разделение продукции по размеру, весу, твердости, вязкости и другим показателям (например, сортировка зерна, яиц, фруктов, картофеля и т. п.).

Автоматический сбор информации предназначен для получения информации о ходе технологического процесса, о качестве и количестве выпускаемой продукции, для обработки и выдачи информации обслуживающему персоналу.

Автоматическая защита представляет собой совокупность технических средств, которые при возникновении ненормальных и аварийных режимов либо прекращают контролируемый производственный процесс (например, отключают определенные участки электроустановки при возникновении на них коротких замыканий), либо автоматически устраняют ненормальные режимы. Автоматическая защита очень тесно связана с автоматическим управлением и сигнализацией. Она воздействует на органы управления и оповещает обслуживающий персонал об осуществленной операции. Защиту, выполняемую на реле, называют релейной защитой. Релейная защита широко применяется на электрических станциях, подстанциях, в сетях и различных электроустановках.

Автоматическая защита включает в себя также автоблокировку. Устройства автоблокировки в основном предназначены для предотвращения неправильных включений и отключений оборудования и тем самым предупреждают повреждения и аварии.

Элементы автоматики

Каждая из систем автоматики состоит из функциональных блоков и узлов, комплектуемых, в свою очередь, из отдельных элементов и приборов. Они характеризуются разнообразием принципов действия, конструктивным исполнением, степенью надежности, сроком службы и пр. Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных устройств, применяемых для автоматизации мелиоративных систем, следует выделить основные функциональные узлы и элементы и выяснить их общие характеристики.

По выполняемым функциям основные элементы автоматики обычно подразделяют на следующие виды: датчики, реле, усилители, стабилизаторы, распределители, генераторы импульсов и двигатели. Применяются также выпрямители, преобразователи, фазочувствительные схемы и целый ряд других устройств.

Датчиками (измерительными элементами) называют элементы, служащие, как правило, для качественного преобразования входной (регулируемой, контролируемой или измеряемой) величины в другую величину, наиболее удобную для последующей передачи по цепи системы автоматики. В мелиоративных системах в большинстве случаев применяются датчики измерения неэлектрических величин: расхода воды, уровня, температуры, давления, влажности и т. п. Эти величины преобразуются в электрические, удобные для передачи на расстояние или для использования в местных электрических устройствах автоматики.

Выходная величина датчика может представлять собой какой-нибудь параметр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, емкость и др. В таких датчиках изменение параметров электрической цепи вызывает модуляцию величины и характера изменения тока или

напряжения постороннего источника. Поэтому такие датчики называют параметрическими или датчиками-модуляторами.

Если же входная величина датчика преобразуется в величину ЭДС (электродвижущей силы), то такой датчик называется генераторным.

В применяемых нами устройствах автоматики контролируемая величина не всегда воздействует непосредственно на датчик. Обычно входная величина преобразуется в первичном измерителе в другую неэлектрическую величину (в большинстве случаев — в механическое перемещение), а затем уже в электрическую. Например, во всех первичных измерителях давления, температуры, уровня эти величины преобразуются в угловое или поступательное перемещение, которое, в свою очередь, преобразуется в изменение электрического параметра.

Большинство современных датчиков имеют выходной сигнал в непрерывной (аналоговой) форме. Развитие цифровой техники обусловило применение датчиков дискретного действия, имеющих цифровые выгодные сигналы. Для этого первичные, измерители соединяются с преобразователями, которые превращают непрерывную величину (напряжения или угла поворота), пропорциональную измеренному параметру, в соответствующие числовые эквиваленты.

Реле — наиболее распространенный элемент автоматики. Так называют элемент, в котором выходная величина у меняется скачкообразно — при достижении входной величиной х определенных значений. Характеристика релейного элемента приведена на рисунке 3.2, а. Изменение выходной величины скачком от у₁ до у₂ называется срабатыванием реле, а величина х₂ — величиной срабатывания. Аналогично скачкообразное изменение величины у от у₂ до у₁ называется отпусканием реле, а величина х₁ — величиной отпускания. Обычно х₁ < x₂, а отношение называется коэффициентом возврата реле. Как видно из характеристики, реле служат для получения дискретных фиксированных значений величин.

Реле часто используются для усиления мощности; мощность срабатывания обычно во много раз меньше мощности, управляемой при помощи реле. Кроме того, одно реле может осуществлять управление большим количеством элементов и цепей автоматики.

В современной практике преимущественно применяются реле, основанные на электромеханическом принципе действия. Изменению входной электрической величины в них соответствует механическое перемещение якоря, что приводит к изменению положения контактов (рис. 3.8). Однако теперь все более широкое применение находят бесконтактные реле, обладающие по сравнению с электромеханическими рядом преимуществ.

Рис 3.8. Релейный элемент:

а - характеристика реле;

б – конструктивная схема

электромагнитного реле.

Усилителями называют элементы, служащие для усиления входной величины. Необходимость в усилении обусловлена тем, что в ряде элементов энергия выходной величины недостаточна для управления последующим в цепи автоматики элементом.

Усилители бывают как электрические, так и неэлектрические. Для автоматизации мелиоративных систем, наряду с электрическими и магнитными усилителями, применяются также гидравлические усилители, в частности использующие перепад уровней воды между каналами различных порядков. В общем, в основу процесса усиления положен ряд физических принципов, в соответствии, с чем различают гидравлические, электронные, магнитные, полупроводниковые, электромеханические и электромашинные усилители.

Стабилизаторами называют элементы, в которых при изменении входной величины в определенных пределах выходная величина остается постоянной или изменяется незначительно. В системах автоматики часто необходимо стабилизировать напряжение или ток, в соответствии с чем различают стабилизаторы тока или напряжения. В общем виде схема электрического стабилизатора представлена на рисунке 3.9.

В стабилизаторе тока при постоянстве входного напряжения и₁ и изменении сопротивления z величина l₂ остается постоянной; в стабилизаторе напряжения при изменении и₁ остается постоянным выходное напряжение и₂.

Рис 3.9. Схема электрического стабилизатора тока или напряжения.

Распределителем называют элемент автоматики, в котором происходит поочередное подключение одной цепи к ряду других. В системах автоматики необходимость поочередного подключения возникает при управлении многими элементами или при контроле многих элементов с помощью одного устройства. Существует большое количестве различных типов распределителей. Преимущественное применение нашли электромеханические шаговые распределители, распределители, собранные на электромагнитных реле, и бесконтактные быстродействующие распределители.

Генераторы импульсов, как это следует из названия, предназначаются для генерирования импульсов различной формы и частоты — в зависимости от требований, предъявляемых к ним устройствами автоматики. Генераторы импульсов нашли особенно широкое применение в телемеханике. Различают релейно-контактные и различные бесконтактные генераторы импульсов, построенные с применением электронных и ионных приборов, транзисторов и т. д.

Электродвигатели применяют в качестве исполнительных механизмов. Для привода подъемных механизмов затворов преимущественно используют асинхронные короткозамкнутые двигатели. На насосных станциях применяют асинхронные короткозамкнутые и синхронные низковольтные и высоковольтные двигатели. Используют также маломощные индукционные двухфазные конденсаторные двигатели и однофазные синхронные. Регулирование оборотов, как правило, не применяется.

Поиск по сайту: