Zadania urządzeń wykonawczych i przetworników pomiarowych w URA. Urządzenia pomiarowe inaczej przetworniki pomiarowe służą do przetwarzania wielkości regulowanej lub innych wielkości charakteryzujących regulowany proces na sygnał wejściowy regulatora. W regulatorach mechanicznych sygnał ten ma postać przesunięcia siły lub ciśnienia. Urządzenia wykonawcze składają się z siłownika (dostarczanej energii mechanicznej koniecznej do przestawienia nastawnika) i nastawnika (zmienia natężenie dopływu do obiektu substancji lub energii). Nastawniki dzieli się na oporowe (zawory, przepustnice, żaluzje, opornice elektryczne) i źródłowe (pompy, wentylatory o zmiennej liczbie obrotów.)Rodzaje i właściwości siłowników.
Siłowniki: Zadaniem siłowników jest przetwarzanie sygnałów sterujących z regulatora lub systemu sterowania procesem na ruch powodujący zmianę położenia elementu lub zespołu wykonawczego, np. grzyba zaworu regulacyjnego. W przypadku zaworów grzybkowych siłownik wykonuje ruch posuwisty, natomiast w przypadku klap, zaworów kulowych lub zaworów z grzybem sferycznym ruch obrotowy. W celu dostosowania siłowników do warunków panujących w instalacji, można je wyposażyć w urządzenia dodatkowe, tj. ustawniki pozycyjne, przetworniki, zawory elektromagnetyczne, zadajniki stanów granicznych. Stosowane są siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i mieszane. Siłowniki pneumatyczne: są napędami membranowymi z membraną krążkową i zamontowanymi wewnątrz sprężynami. Charakteryzują się następującymi właściwościami: dostosowane do ciśnienia sterującego do max. 0,63 MPa (90 psi), mała wysokość zabudowy, duże sily nacisku przy dużych prędkościach nastawy, małe siły tarcia, różne zakresy sygnałów sterujących, płynna i przy tym bardzo precyzyjna możliwość regulacji, możliwość zmiany zakresu sygnałów sterujących i kierunku działania bez specjalnych narzędzi. Najbardziej rozpowszechnione, niezawodne, proste w budowie, bezpieczeństwo pracy. Wyróżniamy siłowniki membranowe: sprężynowe, bez sprężynowe , tłokowe, wirnikowe, z ust. pozycyjnym. Siłowniki hydrauliczne: wykonywane są najczęściej jako tłokowe (wykorzystywane są w automatyce przemysłowej; dwie odmiany; proste i korbowe) i obrotowe (stos w napędach obrabiarek). Maja dużą trwałość wynikającą z dobrego smarowania części ruchomych przez olej będący nośnikiem energii. Wadami są ograniczone mozliwości wykonywania operacji matematycznych i kształtowania właściwości dynamicznych regulatorów. Siłowniki elektryczne: dwie odmiany; silnikowe (element napędowy to wirujący silnik elektryczny, wykonywane są jako liniowe lub korbowe) i elektromagnetyczne (sterowanie zaworów o niewielkich średnicach nominalnych). W siłowniku korbowym silnik przez przekładnię zębatą obraca korbę. W siłowniku liniowym prędkość kątowa silnika jest redukowana za pośrednictwem przekładni zębatej i zamieniana na ruch prostoliniowy trzpienia za pośrednictwem przekładni śrubowej.
Budowa, zasada działania siłowników membranowych (sprężynowe, bez sprężynowe, prosty, odwrócony oraz z ustawieniem pozycyjnym). Siłowniki membranowe: służą do przestawiania zaworów lub przepustnic. Ważne są wartości nastawcze parametrów ruchu siłownika: sił lub moment, czas przestawiania z jednego położenia skrajnego w drugie i wartość skoku. Siłowniki membranowe ze sprężyną zwrotną o działaniu prostym- ciśnienie sterujące doprowadzane nad górną pokrywę siłownika działa na elastyczną membranę powodując jej ugięcie. Membrana za pośrednictwem sztywnego talerza naciska na sprężynę, a siła pochodząca ze ściskanej sprężyny zwiększa się proporcjonalnie do wartości ugięcia. Dla każdej wartości ciśnienia równowaga następuje przy innej wartości ugięcia membrany. Ruch membrany przenoszony jest za pomocą trzpienia na zewnątrz obudowy siłownika. Wstępny naciąg sprężyny regulującej się przez wkręcenie w obudowę odpowiedniej sprężyny.
Siłowniki o działaniu odwrotnym- sprężyna zwrotna ustawiona jest nad membraną a ciśnienia sterujące podawane jest pod membraną i powoduje wciąganie trzpienia. W przypadku zaniku ciśnienia sterującego trzpień siłownika o działaniu prostym przyjmuje położenie górne końcowe, a trzpień siłownika o działaniu odwrotnym położenie dolne końcowe. Będzie to oznaczać że zawór zostanie otwarty, bądź to zamknięty, zależnie od jego zastosowania. Siłowniki z ustawnikiem pozycyjnym- zmiana ciśnienia sterującego powoduje zmianę ugięcia mieszka sprężystego i zmianę odległości między dyszą a przysłoną, która powoduje zmianę ciśnienia kaskadowego, które po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy działają na membranę siłownika powodując przesunięcie trzpienia siłownika. Przez dźwignię i sprężynę zrealizowane jest sprężenie zwrotne zapewniające dużą dokładność ust trzpienia siłownika. Zastosowanie siłownika powoduje zmniejszenie histerezy i wpływu sił obciążenia na położenie trzpienia a także zwiększa szybkość działania siłownika (po usunięciu sprężyny z siłownika powstaje siłownik bez sprężynowy). Ustawniki pozycyjne są elementami umożliwiającymi dostosowanie zaworów regulacyjnych z siłownikami pneumatycznymi do wymogów konkretnej aplikacji. Ustawniki pozycyjne gwarantują określone przyporządkowanie połączenia grzyba zaworu (wielkość regulowana „x”) do sygnału sterującego (wartość zadana „w”). Siłownik bezsprężynowy- ruch powrotny powodowany jest ciśnieniem o stałej wartości p , doprowadzonej do jednej z komór siłownika. Do górnej komory doprowadzone jest ciśnienie z nastawnika pozycyjnego. Przesunięcie trzpienia zaworu odpowiada sygnałowi sterującemu. Siła użyteczna w trzpieniu w siłowniku bezsprężynowym jest kilkakrotnie większa jak w siłowniku sprężynowym. Wadą jest przyjmowanie nieokreślonego położenia w wypadku awarii sterowania. Siłownik membranowy ze sprężyną- najczęściej stosowany w układach regulacji. Pod względem dynamicznym przedstawia człon oscylacyjny. Sygnałem wejściowym jest ciśnienie p w komorze nad membraną, a wyj siła działająca na trzpień, która zwykle łączy się bezpośrednio z wrzecionem zaworu. Aby nastąpiło przesunięcie grzybka siła ta musi być większa od wypadkowej sił tarcia wrzeciona zaworu o dławnicę, siły oddziaływania w strugi na grzybek i siły naciągu sprężyny. Ruch będzie trwał do momentu osiągnięcia równowagi sił. Ruch grzybka w kierunku przeciwnym odbywa się pod wpływem sprężyny po obniżeniu ciśnienia sterującego.
. Budowa zasada działania i charakterystyki przetworników pneumatycznych: ciśnienie mierzone podawane jest do mieszka wejściowego, który poprzez system dźwigni przesuwa przesłonę względem dyszy. Ciśnienie kaskadowe układu dysz- przysłona zależna od położenia przysłony jest po wzmocnieniu kierowane do mieszka sprzężenia zwrotnego i jednocześnie jest to sygnał wejściowego przetwornika. Mieszek sprzężenia zwrotnego poprzez dźwignię, wywiera siłę równoważącą działanie mieszka pomiarowego. Ciśnienie wejściowe przetwornika ustala się na wartości p, przy której siła od mieszka pomiarowego jest zrównoważona siłą od mieszka sprzężenia zwrotnego. Jest to zamknięty układ regulacji, w którym wielkością wejściową jest ciśnienie, wielkością zadaną - ciśnienie mierzone, a zespół dysza-przysłona pełni rolę osłonu porównującego. Budowa: mieszek wejściowy, mieszek sprzężenia zwrotnego, regulacja zakresu, sprężyna zerująca, przysłona, dysza, wzmacniacz. Typy przetworników pneumatycznych: pneumatyczny przetwornik: średnich ciśnień, wysokich ciśnień, różnicy ciśnień, temp, poziomu cieczy.
Dobór charakterystyki zaworu do charakterystyki statycznej obiektu regulacji: dobrze dobrany zawór powinien zapewnić wymagany zakres zmian strumienia (natężenie przepływu). Ponad to pożądane jest, by istniała określona zależność między wartością wielkości wejściowej regulatora, a wartością strumienia- najlepiej gdyby była to liniowa zależność. Dobór zaworu polega na: określeniu wielkości zaworu, określenie charakterystyk zaworu, wyborze odpowiednich typów konstrukcji zaworu. Charakterystyki zaworów:1.Otwarcie zaworu A=f(h) - charakterystyki konstrukcyjne podają zależność między polem przepływu A przez zawór, a wzniosem h grzybka zaworu. 2.wewnętrzna zaworu KV=f(h) - podaje natężenie przepływu wody przez zawór przy stały spadku ciś w zależności od przesunięcia wrzecionu zaworu h. 3.roboczą zaworu Q=f(h)- podaje natężenie przepływu czynnika przez zawór w warunkach pracy zaworu w danej instalacji w funkcji przesunięcia wrzeciona zaworu h. Zależność między przesunięciem h, a wartością KV (wsp. wymiarowy zaworu). Jest to charakterystyka statyczna i określa własności nastawcze zaworu. W praktyce oprócz charakterystyki otwarcia używane są 2 podst. rodzaje zaworów: -stało procentowy: stosowany w układach regulacji z obiektami mającymi duże wzmocnienie przy małych strumieniach np. obiekty z regulowaną temp i ciśnieniem a także wtedy gdy spadek ciśnienia na zaworze zmienia się w szerokich granicach. -liniowe zalecane jako zawory redukcyjne przy znacznym spadku ciśnienia na zaworze.
Zasada działania i zastosowanie serwosilników: Serwomechanizm - zamknięty układ sterowania przemieszczeniem (układ automatyki), o strukturze typowego układu regulacji. Wartość wzorcowa porównywana jest z przetworzonym przez przetwornik bieżącym sygnałem wyjściowym i powstały w ten sposób uchyb podawany jest na człon korekcyjny, a dalej na wzmacniacz. Wzmocniony sygnał trafia do siłownika, którego przemieszczenie jest wartością wyjściową układu. Zadaniem serwomechanizmu jest likwidacja błędów regulacji (uchybu przemieszczenia), powstających na skutek zmian wielkości wzorcowej, a więc klasyfikujemy go jako układ nadążny. Serwomechanizm ma strukturę typowego układu regulacji, nie steruje jednak obiektem technologicznym, lecz siłownikiem w celu usprawnienia działania toru wykonawczego.
Podstawowe elementy składowe pneumatycznych urządzeń automatyki: Siłownik pneumatyczny- urządzenie mechaniczne, zamieniające ciśnienie powietrza lub innego gazu na ruch- przemieszczenie elementów albo wzdłużne, albo wokół swojej osi.Doprowadzenie gazu pod ciśnieniem przewyższającym ciśnienie atmosferyczne do jednej z komór siłownika powoduje przemieszczenie się tłoka wewnątrz cylindra siłownika, co skutkuje przemieszczeniem się końcówki roboczej zamocowanej do tego tłoka. Konstrukcja siłownika określa, czy przemieszczenie to będzie wzdłużne, czy kątowe, jak znaczne (jak duży będzie skok roboczy tłoka, a przy siłownikach obrotowych - jaki będzie roboczy kąt obrotu), czy po odłączeniu dopływu gazu pod ciśnieniem siłownik będzie wracał do położenia początkowego, czy nie. Podstawowe struktury układów regulacji- ich wady i zalety: Układ regulacji (układ sterowania) - układ, którego zadaniem jest sterowanie procesem. Układy regulacji automatycznej posiadają sprzężenie zwrotne. Układ regulacji składa się z elementu porównującego (sumator), regulatora, elementu wykonawczego (zawór, siłownik), obiektu sterowania oraz układu pomiarowego (czujnik, przetwornik). Sumator jest cyfrowym układem kombinacyjnym, który wykonuje operacje dodawania dwóch (lub więcej) liczb dwójkowych. Regulator jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie regulatora polega na odpowiednim dobraniu informacji wysyłanej do obiektu regulowanego, tak aby obiekt regulowany zachowywał się w pożądany sposób (wartość zadana). Regulator czerpie informacje o zachowaniu obiektu regulowanego ze sprzężenia zwrotnego. Obiekt sterowania to każdy proces (np. napędzanie) lub zjawisko (np. przepływ cieczy), które podlega regulacji. Układ pomiarowy (automatyki)- zespół elementów biorących udział bezpośrednio w kierowaniu procesem automatyzacji oraz elementów pomocniczych, który jest uporządkowany na zasadzie ich wzajemnej współpracy, tzn. zgodnie z kierunkiem przepływu sygnału.