Общие сведения об основных характеристиках элементов автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения об основных характеристиках элементов автоматики

Любое автоматическое устройство представляет собой комплекс отдельных конструктивных или схемных элементов, каждый из которых выполняет задачу по преобразованию энергии, полученной от предыдущего элемента, и передаче ее последующему элементу. Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определенные самостоятельные функции преобразования сигнала (информации) в системах автоматического управления и контроля.

На рис. 1, а схематически изображен элемент Э. На его вход подается энергия х, после преобразования ее по значению на выходе возникает энергия у. Иногда необходимо, чтобы энергия у на выходе была больше, чем энергия х на входе; в этом случае в элемент вводится дополнительная энергия вида z (рис. 1, б).Очевидно, при наличии дополнительной энергии возможно усиление небольшой входной энергии х до большой выходной энергии у.

Величины х и у могут быть электрическими (например, напряжение, ток, сопротивление) и неэлектрическими (например, давление, перемещение, температура, скорость). Чаще всего применяют электрические элементы, т. е. те, у которых величины х или у являются электрическими. Находят также применение и неэлектрические элементы: гидравлические, пневматические, механические и др.

Характеристики элементов оказывают влияние на свойства систем автоматики, которые из них состоят. Изучение свойств этих элементов необходимо для анализа работы устройств и схем, основными показателями которых (характеризующими работу) являются точность, чувствительность, инерционность и др.

Рис. 1. Схемы элементов автоматики: а - без дополнительной энергии; б - с дополнительной энергией

Рассмотрим схемы автоматики и телемеханики, а также основные правила их выполнения.

Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на чертежах изображают в виде различных схем: электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.

Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о составе и связях любого устройства или системы.

Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.

Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и взаимосвязей.

Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях или установке в целом.

Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей установки.

Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью проводив, кабелей, трубопроводов.

Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.

Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения на месте эксплуатации.

Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного раскрытия содержания и связей элементов установки.

Чертежи и схемы выполняют по определенным правилам, которые изложены в действующих стандартах ЕСКД.

Каждый функциональный элемент выполняет элементарную функцию, которая заключается в получении, преобразовании и передаче информации в виде сигналов определенной физической природы. Эти элементы в системах автоматики и телемеханики служат звеньями однонаправленного действия, т. е. звеньями, передающими сигнал в одном направлении - с входа на выход.

Назначения основных функциональных элементов автоматики можно рассмотреть на примере построения одномерной системы комбинированного управления температурой воздуха в помещении (рис. 2).

Рис. 2. Схема управления температурой воздуха в помещении

На схеме этой системы объект управления (ОУ) - помещение, оборудованное калорифером. Для управления объектом предусмотрен исполнительный элемент (ИЭ), содержащий исполнительный механизм (сервопривод) и регулирующий орган (клапан). От положения и золотника клапана, перемещаемого сервоприводом, зависит расход теплоносителя через калорифер и, как следствие, температура воздуха в помещении у. Сигнал управления сервоприводом и_сп формируется управляющим элементом (УЭ) согласно заложенному в нем алгоритму по выходному сигналу элемента сравнения (ЭС): е = е₁ + е₂, причем

где м₃ - формируемый задающим элементом (ЗЭ) электрический сигнал, соответствующий требуемому значению температуры воздуха в помещении; у_эл - формируемый первым воспринимающим элементом (ВЭ-1) электрический сигнал, соответствующий реальной температуре у воздуха в помещении; м_к - выходной сигнал корректирующего элемента (КЭ); и_Д - положительная величина, представляющая собой постоянную времени дифференциатора, т.е. корректирующего элемента; л_эл - формируемый вторым воспринимающим элементом (ВЭ-2) электрический сигнал, соответствующий температуре л. наружного воздуха.

В рассматриваемой системе КЭ - реальное дифференцирующее звено (приближенно выполняющее операцию дифференцирования электрического сигнала л_эл по времени t), т.е. выходные сигналы м_к корректирующего элемента пропадают с исчезновением изменений температуры наружного воздуха X. В противном случае сигналы КЭ могут содержать постоянные составляющие, определяемые установившимися значениями температуры X и воспринимаемые ЭС как сигналы ЗЭ. Другими словами, недопустимо наличие постоянных составляющих в выходных сигналах КЭ, так как эти составляющие формируют алгебраическое слагаемое сигнала задания системе управления. Однако сигнал задания ц₃системе управления должен формироваться оператором только с помощью ЗЭ.

Наличие постоянных составляющих в выходных сигналах КЭ допустимо, если эти сигналы поступают непосредственно на вход ИЭ. В этом случае КЭ должен содержать необходимый усилитель мощности, приводящий ИЭ в действие, т. е. являться управляющим элементом.

Аналогично строятся схемы для других систем управления. Как видно из рассмотренного примера, каждый элемент в системе управления выполняет вполне определенную функцию.

По выполняемым функциям основные элементы автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).

По роду физических процессов, используемых в основе устройств, элементы автоматики делятся на электрические, ферромагнитные, электротепловые, электромашинные, радиоактивные, электронные, ионные и др.

Рассмотрим некоторые основные элементы, наиболее часто применяемые в автоматике, разделяя их по выполняемым функциям.

Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) - устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую на его вход в виде некоторой физической величины, функционально преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную для воздействия на последующие элементы (блоки). Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую (например, температура преобразуется при помощи термопары в электродвижущую силу (ЭДС); механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, изменяет индуктивность его обмотки и т.д.).

Основной характеристикой датчика является зависимость его выходной величины у от входной х, т.е. у =f(x). На рис. 3 изображены некоторые распространенные виды зависимости выход-вход датчиков. Как видно из рисунка, функциональная связь может подчиняться любой закономерности, но желательно, чтобы характеристика датчика была линейной.

Рис. 3. Виды основной характеристики датчиков

Различают два вида датчиков в зависимости от принципа производимого ими преобразования:

параметрические (или пассивные), в которых изменение контролируемой величины х сопровождается соответствующими изменениями активного, индуктивного и емкостного сопротивлений датчика. Наличие постороннего источника энергии вида z (см. рис. 1, б) является обязательным условием работы параметрического датчика;

генераторные (или активные), в которых изменение контролируемой величины х сопровождается соответствующими изменениями ЭДС на выходе датчика (например, возникновение ЭДС может происходить вследствие термо-, пьезо-, фотоэффекта и других явлений, вызывающих появление электрических зарядов). Эти датчики выполняются по схеме, приведенной на рис. 1, а, т.е. они не требуют дополнительного источника энергии вида г, так как энергия на выходе элемента полностью берется с его входа (вследствие чего мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала).

В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины различают датчики механические, тепловые, оптические и др. Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием, т.е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величина - механическое перемещение - электрическая величина. Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или первичным измерителем (ПИ). Например, давление преобразуется в перемещение стрелки манометра ПИ, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (проволочный, резистивный (или реостатный) датчики и др.).

Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии z (см. рис. 1, б). Основной характеристикой усилителя является зависимость y = f(x); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. На рис. 4 изображены различные виды характеристики усилителей.

Рис. 4. Виды основной характеристики усилителей

По принципу действия усилители разделяются на электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические.

Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных пределах. Эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров элементов, входящих в схему стабилизатора; при этом вид энергии на его входе и выходе должен быть один и тот же. Здесь характеристика 1 обеспечивает меньшую стабилизацию выходной величины у, чем характеристика 2. В случае, если кривая не имеет в заданном диапазоне горизонтального участка, а имеет максимум (кривая3) или минимум, то точность стабилизации будет больше, чем в случае, характеризуемом кривой 7.

В зависимости от вида стабилизируемой величины различают стабилизаторы напряжения и тока, обеспечивающие постоянство напряжения или тока в нагрузке при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Зависимость у = f(x) реле неоднозначна и имеет форму петли (рис. 6). При изменении входной величины от 0 до х₂ выходная величина у изменяется незначительно (или остается постоянной и равной у₁). При достижении входной величины х значения х₂, т.е. х = х₂,выходная величина изменяется скачком от значения у₁ до у₂. Впоследствии при увеличении х выходная величина изменяется незначительно или остается постоянной (имеет установившееся значение). Когда входная величина уменьшается до значения х₁ выходная величина сначала остается также неизменной и почти равной у₂. В тот момент, когда х = х₁ выходная величина скачком уменьшается до значения у_х и сохраняется приблизительно неизменной при уменьшении х до нуля.

2. Устройство, принцип действия, характеристики, назначение электромагнитных реле

Электромагнитные реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом реле. Они подразделяются на нейтральные и поляризованные. Поляризованное реле в отличие от нейтрального работает в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рис. 5. Конструктивные схемы электромагнитных реле постоянного тока: а -- поворотись б -- с втяжным якорем; в -- язычкового типа

Реле, которое коммутирует относительно большие мощности, называется контактором.

По характеру движения якоря основные типы реле делятся на три группы: 1) поворотные; 2) с втяжным якорем; 3) язычкового типа

На рис. 5, а приведена схема конструкции поворотного электромагнитного реле постоянного тока. Реле состоит из магнитопровода 1, сердечника 2, обмотки 3, якоря 4, контактов 5, пружины 6.

Если к обмотке реле подвести управляющий сигнал (электрическое напряжение), то за счет возникновения электромагнитной силы якорь притянется к сердечнику электромагнита. В результате этого контакты реле замкнутся. Если управляющий сигнал снять, то якорь возвратится в прежнее положение за счет действия пружины и контакты реле будут разомкнуты.

Принцип действия реле с втяжным якорем (рис. 5, б), так же как и поворотных, основан на притяжении якоря к сердечнику 2 электромагнита, на обмотку 3 которого подаётся управляющий сигнал. При этом поднимается подвижная контактная перемычка 4, замыкая контакты 5. При снятии управляющего сигнала якорь под действием силы тяжести опускался на упоры 6, размыкая контакты 5.

Рис. 6. Характеристики реле: а -- электромеханическая; 0 -- временная

Одной из разновидностей реле является миниатюрное реле язычкового типа, или герконы. Контакты 2 этого реле представляют собой две пластины, помещенные внутри герметизированного баллона 1, наполненного инертным газом. При подаче управляющего сигнала на обмотку 3 этого реле его контакты замыкаются. Стеклянный баллон имеет длину приблизительно 15--20 мм, а диаметр 5 мм. Реле способно коммутировать мощность около 20 Вт.

Реле язычкового типа имеет преимущества по сравнению с двумя предыдущими типами реле по габаритам, быстродействию и надежности.

Обычно для сердечников и магнитопроводов реле используются материалы с большой магнитной проницаемостью, чаще всего мягкая электротехническая сталь.

Сила притяжения якоря реле зависит от его конструктивных параметров и определяется по формуле

где i -- ток, протекающий в обмотке реле; -- число витков обмотки реле; S -- сечение магнитопровода; -- воздушный зазор.

Из рассмотренной формулы следует, что сила притяжения якоря пропорциональна квадрату намагничивающей силы (следовательно, не зависит от направления тока, протекающего по обмотке) и обратно пропорциональна воздушному зазору .

Зависимость электромеханической силы, действующей на якорь, от его положения называется электромеханической характеристикой реле F=f(), которая представлена на рис. 35, а. Из характеристики видно, что чем меньше воздушный зазор, тем больше сила притяжения якоря к сердечнику реле.

Катушка реле имеет активное сопротивление R и индуктивность L. Если подключить реле к источнику напряжения, то в обмотке реле возникнет переходный процесс, который может быть описан дифференциальным уравнением

где i -- ток в обмотке реле; L -- индуктивность обмотки при отпущенном якоре,

Результат решения уравнения дает закон нарастания тока при включении напряжения на обмотку реле:

где I=L/R -- установившееся значение тока; T=LIR -- постоянная времени цепи. При отключении напряжения ток в обмотке реле убывает по закону и затем становится равным нулю.

График нарастания тока при включении реле и спада при отключении представлен на рис. 6, б.

Приведенные формулы дают приближенную картину нарастания и спада тока в катушке, так как они не учитывают изменения индуктивности L при изменении воздушного зазора б.

Время срабатывания t_cp и отпускания t_отп реле определяют быстродействие реле. Приближенно они вычисляются по формулам

Здесь I_cp -- ток срабатывания реле, при котором якорь реле начинает перемещаться; I_ОПТ -- ток, при котором якорь реле отходит от сердечника; T'=L'IR, где L' -- индуктивность входной цепи при притянутом якоре.

Время срабатывания t_cp и отпускания t_ОТП реле можно регулировать в некоторых пределах, изменяя установившийся ток / и постоянную времени Т.

Для телефонных и кодовых реле время срабатывания составляет от 5 до 50 мс.

Время срабатывания реле можно увеличить механическим или электрическим способом.

При механическом способе замедление движения якоря можно получить за счет введения в конструкцию пружины, пневматического, гидравлического или магнитного демпфера. Эти способы позволяют получить время срабатывания реле от десятков секунд и выше.

При электрических способах либо шунтируется сопротивлением или емкостью катушка реле, либо в обмотку реле вводятся короткозамкнутые дополнительные витки.

Чтобы уменьшить искрообразование на контактах, применяются специальные искрогасящие цепочки, состоящие из емкости и сопротивления. Эти цепочки включаются параллельно контактам. При размыкании контактов реле емкость С заряжается или разряжается и, следовательно, напряжение между контактами уменьшается.

Надежность работы электрического реле в основной определяется надежностью работы контактов, коммутирующих электрические цепочки. Контакты должны надежно, без вибрации, замыкать и размыкать электрические цепи определенной мощности без подгорания, обеспечивая тем самым малое переходное сопротивление.

Наиболее тяжелым режимом работы контактов является разрыв цепей постоянного тока (особенно большой мощности), так как при этом на контактах возникает и поддерживается электрическая дуга.

Рис. 7. Конструктивная схема поляризованного реле.

При размыкании цепей переменного тока дуга на контактах гаснет намного быстрее.

К электромагнитным реле с поворотным якорем относятся также поляризованные реле (рис. 7). Основными деталями реле являются: постоянный магнит 1, якорь 2, катушка 3 и 3', неподвижные контакты 4 и 4', магнитопровод 5.

Это реле отличается от обычного электромагнитного реле постоянного тока тем, что вместо ярма здесь установлен постоянный магнит, наличие которого повышает чувствительность реле и, кроме того, заставляет реагировать реле на полярность приложенного к его обмотке напряжения.

Магнитный поток постоянного магнита, проходя по якорю, делится на два потока Ф₁ и Ф₂. Проходя через плечи ярма, один из этих потоков складывается с основным потоком, создаваемым в ярме намагничивающим током катушек, другой направлен встречно. В том плече ярма, где потоки складываются, сила притяжения, действующая на якорь, больше, и якорь притягивается к этому плечу. При изменении полярности приложенного к катушке напряжения якорь притягивается к другому плечу ярма.

Если напряжение на катушке реле равно нулю, то якорь реле займет нейтральное (среднее) положение, так как потоки Ф₁ и Ф₂ равны между собой и направлены встречно. Соответственно и силы притяжения, действующие на якорь справа и слева за счет потоков Ф₁ и Ф₂, будут равны. Поэтому результирующая сила, действующая на якорь, равна нулю. Однако практически якорь всегда притянут к одной из сторон ярма, так как всегда имеется небольшое смещение якоря.

Намагничивающая сила, которая обеспечивает срабатывание реле, определяется по формуле

т. е. намагничивающая сила срабатывания пропорциональна потоку постоянного магнита Фо и смещению якоря x_t когда он притянут к ярму.

В поляризованном реле положение контактов можно регулировать.

Реле переменного тока состоит из таких же деталей, что и реле постоянного тока. Отличие заключается в том, что сердечник, ярмо и якорь этого реле изготавливаются из листовой электротехнической стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.

Так как активное сопротивление катушки реле значительно меньше индуктивного сопротивления, то активным сопротивлением можно пренебречь. Следовательно, напряжение U, прикладываемое к катушке реле, уравновешивается ЭДС самоиндукции в обмотке:

где -- частота переменного тока; Ф -- магнитный поток; -- число витков катушки реле, откуда

Из этой формулы видно, что магнитный поток не зависит от магнитного сопротивления воздушного зазора Я₃, а следовательно, и от размера воздушного зазора. Поэтому электромеханическая характеристика реле будет иметь вид прямой, параллельной оси абсцисс.

При переменном намагничивающем токе сила притяжения будет меняться по закону

где Fтах -- амплитуда силы притяжения.

Путем простейших тригонометрических преобразований этой формулы можно показать, что сила притяжения изменяется от нуля до максимума с двойной частотой. Когда сила притяжения равна нулевому значению, пружина стремится оттянуть якорь назад, поэтому происходит вибрация якоря и даже искрение контактов, повторяющееся с частотой изменения силы притяжения F.

Для устранения данного явления реле изготовляются либо с двумя обмотками, либо с дополнительной короткозамкнутой обмоткой.

На практике чаще применяется другая конструкция реле переменного тока. Полюс такого реле раздвоен. На одну из половин насаживается короткозамкнутый медный виток (рис. 7, а).

Магнитный поток Ф у конца сердечника разветвляется¹ часть потока Ф₂ проходит половину сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой, а другая часть потока Ф₁ приходит через свободную половину. Эти потоки сдвинуты по фазе относительно друг друга на определенный угол.

Сдвиг по фазе происходит вследствие того, что поток Ф₂ наводит ЭДС и в медном короткозамкнутом витке. Следовательно, в нем возникает ток, который в свою очередь создает также магнитным поток.

В результате магнитный поток Ф2 отстает на некоторый угол от потока Ф_ь Поэтому суммарная сила притяжения F, действующая на якорь, никогда не равна нулю при наличии напряжения на катушке в связи с тем, что когда одш| «з потоков проходит через нуль, другой.

3. Понятия о логических операциях

Система логических элементов, на базе которой можно строить логическую схему любой сложности, называется функционально полной. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название. В этой таблице даны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как читается запись операции, обозначаются логические элементы в функциональных схемах, а также таблица истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х₁, х₂) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов.

Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И - НЕ, ИЛИ - НЕ.

Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий интегральных микросхем базисной системой являются логические элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе.

Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых приборах. Логические элементы И и ИЛИ могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется на транзисторах.

Составные логические элементы на разных ступенях могут выполняться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых), т. е. могут иметь разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их называют логикой типа резисторно-транзисторной (РТЛ); диодно-транзисторной (ДТЛ); транзисторно-транзисторной (на биполярных транзисторах - ТТЛ; на полевых - р-канальная МОПТЛ, n-канальная МОПТЛ; на комплементарных полевых транзисторах - КМОП или КМОПТЛ; на транзисторах с эмиттерными связями - ТЛЭС или ЭСЛ).

Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика - И²Л, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискретных элементах. Связь между ступенями логических элементов осуществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо через RC-цепочку. Тогда в название логики добавляют соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ - транзисторная логика с непосредственной связью; НСТЛМ - транзисторная логика с непосредственной связью на МОП-транзисторе; РЕТЛ - транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.

Список рекомендуемой литературы

энергия сигнал автоматический

1. Автоматика: учебное пособие / В.В. Багнюк, А.Р. Ротт. - Йошкар-Ола: марийский государственный технический университет, 2011. - 108 с.

2. Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов. - М.: Колос, 2004. - 344 с.

3. Основы автоматики: Учебное пособие для вузов / А.С. Гордеев. - Мичуринск.: МичГАУ, 2006. - 220 с.

4. Спецглавы по автоматике: учкбное пособие / Б.Ф. Лелюх; Юргинский технологический институт. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. - 179 с.

5. Элементы автоматики: учебное пособие РАТК.ГА. / Мищенко В.А. Рыльск 2003 г.

Размещено на Allbest.ru