Размещено на http://www.allbest.ru/

Классификация ТОУ

технологический датчик цифровой преобразователь

Управляемый технологический процесс вместе с оборудованием, в котором он осуществляется, называется технологическим объектом управления (ТОУ).

С точки зрения автоматизации и управления ТОУ можно разделить по:

1.типу технологического процесса,

2.характеру,

3. сложности,

4. характеру параметров, участвующих в управлении.

По типу процессов, протекающих в ТОУ различают следующие классы ТОУ:

гидромеханические (в них производится перемещение жидкостей или газов, перемешивание, разделение неоднородных сред),

тепловые (в них осуществляется нагревание, охлаждение, выпаривание, кристаллизация),

массообменные ( в них идут процессы ректификации, абсорбции, адсорбции, сушки, экстракции),

механические ( в них производится измельчение, дозирование, перемещение твердых материалов),

химические (в них осуществляются окисление, восстановление, синтез, нейтрализация, нитрование и т.д.).

Технологические процессы одного типа могут отличаться аппаратурным оформлением, свойствами перерабатываемых веществ, однако все они протекают по одним и тем же законам и характеризуются аналогичными зависимостями между параметрами. Это дает возможность разработать типовое решение по их автоматизации.

По характеру технологического процесса ТОУ делятся на ТОУ с непрерывным характером производства и с периодическим (дискретным). В первом случае технологический режим после пуска ТОУ устанавливается неизменным на длительные сроки (недели, месяцы), во втором -длительность технологических операций незначительна (минуты, часы). Автоматизация периодических процессов существенно осложнена необходимостью перестройки работы аппаратов, заключающейся в изменении технологических режимов, а также маршрутов материальных и энергетических потоков.

Электромагнитные датчики

Электромагнитные датчики основаны на использовании зависимости характеристик магнитной цепи (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости, магнитного потока и др.) при механическом воздействии на элементы этой цепи.

Индуктивные датчики

Датчики, преобразующие перемещение в изменение индуктивности, называют индуктивными. Датчики, преобразующие перемещение в изменение взаимной индуктивности, принято называть трансформаторными (или взаимо индуктивными). В трансформаторных датчиках изменение взаимной индуктивности можно получить не только при изменении: полного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток. Датчики, основанные на изменении магнитного сопротивления,, обусловленном изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации,, называют магнитоупругими. Датчики, в которых скорость изменения измеряемого механического параметра преобразуется в индуктированную ЭДС, называют индукционными или магнитоэлектрическими.

Индуктивные датчики представляют собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором Д или изменяющейся площадью 5 поперечного сечения магнитопровода. Выходным параметром является изменение индуктивности Ь (или полного сопротивления 1) обмотки, надетой на сердечник. Широко распространены также индуктивные датчики соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью.

Индуктивные датчики с переменным зазором имеют ограниченный диапазон измерений (от 0,01 до 2 мм), так как при большем зазоре зависимость Ь={(А) становится нелинейной. Датчики с регулируемой площадью поперечного сечения магнитопровода имеют большую линейность (в диапазоне до 5-8 мм). Датчики соленоидного типа пригодны для измерения больших перемещений (до 50-60 мм).

Недостатком индуктивных датчиков является наличие на выходе постоянной составляющей сигнала, для компенсации которой применяют мостовые или дифференциальные схемы.

Трансформаторные датчики

Трансформаторные датчики представляют собой, магнитопровод с двумя обмотками и ферромагнитный сердечник. При перемещении сердечника изменяется взаимная индуктивность обмоток. С целью снижения постоянной составляющей сигнала на выходе применяют дифференциально-трансформаторные схемы, в которых вторичные обмотки со и ©”г” включены встречно. Погрешность этих датчиков вызывается колебанием напряжения и частоты питания, температуры.

Достоинствами индуктивных и трансформаторных датчиков являются: высокий коэффициент преобразования (можно работать без специальных усилительных устройств), простота конструкции.

Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие датчики представляют собой ферромагнитный сердечник с обмоткой, при деформации которого от сжимающих, растягивающих или скручивающих усилий (Р) происходит изменение магнитной проницаемости сердечника и изменение его магнитного сопротивления г=1(Р). Это приводит к изменению индуктивности обмотки, помещенной на сердечнике или взаимной индуктивности между обмотками.

По принципу действия магнитоупругие датчики делят на две группы: дроссельного и трансформаторного типа. В датчиках дроссельного типа изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления г катушки дросселя. Эти датчики просты, нечувствительны к колебаниям напряжения питания и изменениям температуры. Поэтому датчики дроссельного типа применяют при измерениях, не требующих высокой точности.

Магнитоупругие датчики трансформаторного типа имеют более высокие коэффициент преобразования и точность, чем дроссельные.

Индукционные датчики

Индукционные датчики выполняют с постоянным магнитом или электромагнитом, через обмотку которого пропускается постоянный ток. Эти датчики в отличие от вышерассмот-ренных индуктивных, трансформаторных и магнитоупругих относятся к разряду генераторных, так как при воздействии входной величины они генерируют электрическую энергию. В них используется явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в-электрическом контуре, в котором меняется магнитный поток.

Наводимая ЭДС в катушке зависит не от абсолютного значения магнитного потока, а от скорости его изменения внутри контура. Поэтому индукционные датчики применяют только для измерения; скорости угловых или линейных перемещений.

Пьезоэлектрические датчики

Основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, суть которого заключается в том, что некоторые материалы при механическом нагружении образуют электрические заряды (прямой пьезоэффект). Оценивается пьезоэффект пьезомодулем К, характеризующим связь между приложенной нагрузкой Р и возникающим электрическим зарядом С}, т. е. С} = КР. Такими свойствами обладает ряд природных кристаллов: кварц, турмалин и др. и искусственных кристаллов: сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария и др.

Пьезоэлектрические датчики пригодны для измерения давления, силы, виброускорений и др.

Выходная мощность пьезоэлектрических датчиков очень мала (генераторные датчики), поэтому датчик включается в измерительной схеме на вход усилителя с возможно большим входным сопротивлением. Эквивалентная схема включения пьезоэлектрического датчика в измерительную цепь представлена. Упрощенная эквивалентная схема указана где сопротивление. Из схемы следует, что выходным сигналом датчика является напряжение соответственно емкость самого пьезопреобразователя, соединительного кабеля и входная емкость измерительной цепи).

Погрешности пьезоэлектрического датчика складываются из погрешности от изменения емкости Свх, температурной погрешности, погрешности от способа установки датчика на объекте и др.

Достоинства пьезодатчиков: малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстро переменных параметров.

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) -- устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

· Широтно-импульсный модулятор -- простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

· ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма - ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействиедельта - сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность -- до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот, и улучшается подавление шума квантования;

· ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

· ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое -- матрица токов и инверсное -- матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.

· Разрядность -- количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два () уровня, а восьмибитный -- 256 () уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.

· Максимальная частота дискретизации -- максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста -- Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

· Монотонность -- свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

· THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) -- мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.

· Динамический диапазон -- соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

· Статические характеристики:

· DNL (дифференциальная нелинейность) -- характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

· INL (интегральная нелинейность) -- характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;

· усиление;

· смещение.

· Частотные характеристики:

· SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) -- характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;

· HDi (коэффициент i-й гармоники) -- характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;

· THD (коэффициент гармонических искажений) -- отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

Аналоговые регуляторы со стандартными линейными законами регулирования

Регулятор - это устройство, которое управляет величиной контролируемого параметра. Регуляторы используются в системах автоматического регулирования. Они следят за отклонением контролируемого параметра от заданного значения и формируют управляющие сигналы для минимизации этого отклонения.

Структурная схема линейного стандартного регулятора приведена на рисунке

Настройка такого регулятора заключается в задании значений коэффициентов kП, kИ, kД таким образом, чтобы удовлетворить требованиям качества управления в соответствии с выбранными критериями качества.

Аналоговые регуляторы - регуляторы, которые формируют управляющий сигнал в виде плавно изменяющегося выходного тока или напряжения по соответствующей функции зависимости, которая называется законом регулирования.

Размещено на Allbest.ru