Класифікація елементів автоматики, їх загальні характеристики

Тема 1.1 Датчики в системах автоматики

Усі пристрої автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки складаються з окремих елементів.

Елемент – це конструктивно відособлена частина схеми або системи, що виконує визначену функцію. Елементом може бути резистор, конденсатор, трансформатор, муфта і ін. У загальному вигляді елемент (рис.1.1) являє собою перетворювач, на вхід якого подається сигнал х , а на виході утворюється сигнал у. Елементи (Е) можуть бути пасивними й активними. У пасивних елементах (рис.1.1, а) відсутнє допоміжне джерело енергії ДДЕ, у них сигнал у утворюється за рахунок сигналу х , а в активних елементах є ДДЕ (рис.1.1, б). У цих елементах вхідний розмір тільки керує передачею енергії від ДДЕ вихідному розміру.

а) б)

а – пасивний елемент; б – активний елемент

Рис. 1.1 - Умовне позначення елемента автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки.

Розміри х і у можуть бути як електричними (струм, напруга, опір), так і неелектричними (тиск, швидкість, температура, переміщення і т. і.).

Елементи можуть відрізнятися друг від друга фізичною природою, принципом дії, схемою ввімкнення, конструкцією і ін.

За виконуючими функціями всі елементи можна розділити на датчики, підсилювачі, стабілізатори, реле, контактори, розподільники, магнітні пускачі, двигуни, муфти і т. д.

Автоматичні пристрої в різних сполученнях застосовуються при автоматизації керування, контролю вимірянь і регулювання (підтримки сталості визначених параметрів робочих органів машини).

Кожний елемент автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки являє собою перетворювач з наступними характеристиками:

1. Залежність вихідного сигналу у від вхідного х:

y = f (x)

2. Коефіцієнт перетворення.

Розрізняють три коефіцієнта перетворення: статичний, динамічний і відносний.

Статичний коефіцієнт перетворення (коефіцієнт передачі) К_ст – відношення вихідного сигналу елемента у до вхідного сигналу х:

К_ст = у / х

Якщо вихідний і вхідний сигнал мають однакові фізичні велечини, тоді статичний коефіцієнт перетворення визначається у відносних одиницях (напр., коефіцієнт підсилення в підсилювачах).

Динамічний коефіцієнт перетворення К_дин:

К_дин = ∆у / ∆х

Коефіцієнти К_ст і К_дин будуть рівні, якщо вихідний сигнал у змінюється пропорційно вхідному сигналу х.

Відносний коефіцієнт перетворення К_відн:

К_відн = (∆у/ у) / (∆х/х) = (∆у/∆х) / (у /х) = К_дин / К_ст

Тобто відносний коефіцієнт перетворення – це відношення динамічного коефіцієнта перетворення до статичного коефіцієнта перетворення.

Розглянуті коефіцієнти перетворення можуть застосовуватися до будь-якого елемента незалежно від виконуємих їм функцій. Наприклад, для датчиків коефіцієнт перетворення називається чутливістю, а для підсилювачів даний коефіцієнт називається коефіцієнтом підсилення.

Як правило, до датчиків пред'являється вимога забезпечення максимальної чутливості, а від підсилювачів потрібно одержання максимального коефіцієнта підсилення. Протилежна вимога пред'являється до стабілізаторів. Вони повинні мати мінімальну чутливість.

3. Межа чутливості - величина найменшої зміни вхідної величини, що викликає зміну вихідного сигналу. Границя чутливості Ох₁ або Ох₂ (рис.1.2) може виникати в елементах за різних причин. У зоні нечутливості D х вихідний сигнал залишається постійним і дорівнює нулю. У реле, електромагнітах, тахогенераторах, двигунах межа чутливості виникає в результаті тертя, неробочого ходу або гістерезіса.

4. Похибка – це зміна вихідного сигналу, що виникає у результаті зміни внутрішніх властивостей елемента або зміни зовнішніх умов його роботи. Розрізняють наступні види похибок: абсолютну, відносну і приведену.

Абсолютною похибкою ∆у називається різниця між фактичним значенням вихідного сигналу у і його розрахунковим значенням у_д :

у– у_д = ∆ у

Відносною похибкою e називають відношення абсолютної похибки Dу до розрахункового значення вихідного сигналу у:

e = ∆у/ у_д

Відносну похибку можна виразити у відсотках:

e =( ∆у/ у_д) ∙ 100%

Приведеною відносною похибкою x називають відношення абсолютної похибки Dу до максимального значення вихідного сигналу у_макс, що визначає діапазон його зміни:

x = Dу / у_макс

Приведена відносна похибка так само, як і відносна похибка, може виражатися у відсотках.

x = (Dу / у_макс ) ∙100%

Якщо виміри здійснюються за допомогою приладу , що показує, максимальне значення вихідного сигналу у_макс приймається верхній діапазон шкали цього приладу.

Рис 1.2 - Характеристика елемента, який має межі чутливості 0х₁и 0х₂ и зону нечутливості Dх

Запитання для самоперевірки

1 Що уявляє собою елемент автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки?

2 Як класифікують елементи автоматики?

3 Надайте основні характеристики елементів автоматики

Зворотні зв'язки

Зворотний зв'язок утвориться в тому випадку, коли частина вихідного сигналу елемента подається на його вхід. На рис 1.3 показаний основний елемент, який охоплений зворотним зв'язком. Основний елемент має коефіцієнт перетворення К. Зворотний зв'язок у схемі здійснений за допомогою додаткового елемента зворотного зв'язку, що має коефіцієнт перетворення b.

На вхід елемента подається сигнал х, а на виході елемента утворюється сигнал у. Частина вихідного сигналу у₁ подається на вхід елемента. Якщо сигнал у₁ збігається по фазі з вхідним сигналом х, то утворюється позитивний зворотний зв'язок, при цьому на вхід основного елемента надходить сигнал х + у₁. Якщо сигнал у₁ не збігається по фазі з вхідним сигналом х, то утворюється негативний зворотний зв'язок і на вхід основного елемента надходить сигнал х - у₁.

Рис 1.3 - Елемент, охоплений зворотним зв'язком

Зворотний зв'язок змінює коефіцієнт перетворення К. Визначимо коефіцієнт перетворення основного елемента, охопленого позитивним зворотним зв'язком.

К_п.з.з = у / х

Коефіцієнт перетворення основного елемента, не охопленого зворотним зв'язком, можна визначити за формулою:

К_п.з.з = у / (х + у₁)

Коефіцієнт перетворення додаткового елемента, що створює зворотний зв'язок, можна визначити за формулою:

b = у₁ / у

Формула коефіцієнта перетворення основного елемента, охопленого позитивним зворотним зв'язком, буде мати наступний вигляд:

К_п.н.з = К / (1 + b · К)

Формула коефіцієнта перетворення основного елемента, охопленого негативним зворотним зв'язком, буде мати наступний вигляд:

К_п.н.з = К / (1 - b · К)

Об'єднану формулу можна записати в такому вигляді:

К_п.н.з = К / (1 ± b · К) ,

де знак “+” відноситься до негативного зворотного зв'язку, а знак “-” - до позитивного.

Позитивний зворотний зв'язок збільшує коефіцієнт перетворення, але зменшує стабільність роботи елемента.

Негативний зворотний зв'язок зменшує коефіцієнт перетворення, але збільшує стабільність роботи елемента.

Запитання для самоперевірки

1. Коли і за допомогою чого буде утворюватися зворотний зв'язок?

2. Як зворотний зв'язок впливає на коефіцієнт перетворення і на стабільність роботи елемента?

1.1.3 Основні відомості про датчики і їх загальні характеристики

Датчик (первинний перетворювач інформації) - це пристрій, що перетворює контрольований або регульований розмір у такий вид сигналу, що більш зручний для впливу на наступні елементи автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки.

У загальному вигляді датчик Д (рис. 1.4) можна представити як чутливий елемент ЧЕ і перетворювач Пр. Чутливий елемент у системах автоматики і телемеханіки виконує функції “органів почуттів”. Він призначений для перетворення контрольованого розміру х у такий вид сигналу х₁, що зручний для виміру.

Рис. 1.4 - Структура датчика

Вхідна величина - це найчастіше неелектрична контрольована величина (лінійне переміщення частини верстата, температура, сила, розмір деталі, швидкість і т.п.). Вихідний сигнал - перетворена вхідна величина, що передається на виконавчу чи проміжну ланку. Вихідні сигнали бувають електричні, гідравлічні, пневматичні, механічні, радіоактивні й ін. Наприклад, тиск х в електроконтактному манометрі спочатку перетвориться за допомогою чутливого елемента в механічне переміщення стрілки х₁, а потім вже в перетворювачі—в зміну опору у.

Датчики, що випускаються промисловістю, мають малі габарити, масу, інерційність (тобто час на перетворення вхідної величини у вихідний сигнал), мають різні діапазони вимірювальних величин.

Загальними характеристиками датчиків є: статична характеристика; інерційність; динамічна (диференціальна) чутливість, межа чутливості; похибка; потужність; момент або зусилля, вимагаємі від джерела вхідного сигналу; вихідна потужність і вихідний опір датчика.

Розглянемо деякі з загальних характеристик датчиків.

Статична характеристика показує залежність вихідного розміру у від вхідного розміру х, де х - контрольований або регульований параметр, що діє на датчик, у - параметр, отриманий після перетворення.

Інерційність характеризується відставанням зміни вихідного розміру у від зміни вхідного розміру х. Вона приводить до похибок при вимірюванні вхідного розміру х і тому є небажаною.

Динамічна (диференціальна) чутливість датчика S або динамічний коефіцієнт перетворення датчика К_дин показує, у скільки разів збільшення вихідного розміру (Dу, dу) більше збільшення вхідного розміру (Dх, dх):

S = Dу / Dх = dу / dх

Бажано, щоб динамічна чутливість датчика S була як можна більш високою.

Характеристики датчиків можуть визначатися як розрахунковим, так і експериментальним шляхом.

Запитання для самоперевірки

1 Яку роль відіграє датчик у системах автоматики і телемеханіки?

2 З яких елементів складається датчик і їх функції?

3 Які характеристики є загальними для датчиків?

Поиск по сайту: