Izabela Lubczyńska

II EPiFM/z gr. Bd

Część I

1.URZĄDZENIE POMIAROWE W UKŁADZIE REGULACJI AUTOMATYCZNEJ. JEGO MIEJSCE W UKŁADZIE, ZADANIA I WYMAGANIA STAWIANE URZĄDZENIU POMIAROWEMU.

Zestaw urządzeń potrzebnych do zbudowania układu regulacji automatycznej można podać dla pewnej określonej klasy układów. Na rysunku przedstawiono schemat blokowy jednopętlowego układu regulacji stałowartościowej. Ten typ regulacji jest spotykany najczęściej.

Urządzenia pomiarowe w układach regulacji automatycznej dostarczają do regulatora informacje o przebiegu regulowanego procesu. Urządzeniom tym stawiane są bardzo wysokie wymagania co do niezawodności i dokładności działania.

Żądanie dużej dokładności wynika z faktu, że w układach regulacji urządzenia pomiarowe znajdują się przed regulatorami, a więc błędy przez nie wprowadzane (np. na skutek zmian nachylenia charakterystyki statycznej) nie są eliminowane przez działanie sprzężenia zwrotnego i w całości przenoszą się na dokładność regulacji.

Funkcje spełniane przez urządzenia i układy pomiarowe w przemysłowych układach sterowania zależą od wielkości i stopnia skomplikowania tych układów oraz od wielu czynników dodatkowych. Wymieniając funkcje podstawowe można powiedzieć, że zadaniem układów pomiarowych jest:

1. dostarczanie obsłudze informacji o bieżącej wartości kontrolowanych parametrów,

2. rejestrowanie wyników pomiarów,

3. wytwarzanie sygnału przeznaczonego dla układu regulacji (regulatora) zgodnego z wymaganiami stawianymi przez ten układ,

4. opracowywanie wyników pomiarów, porządkowanie ich oraz określanie wskaźników pośrednich i globalnych, obliczanie wartości średnich,

5. sygnalizowanie nadmiernych odchyłek od pożądanej wartości określonych wielkości.

Większość urządzeń pomiarowych pracuje w sposób ciągły, wytwarzając na wyjściu sygnał analogowy. Współpracę z urządzeniami cyfrowymi, wymagającymi sygnałów cyfrowych, umożliwiają wówczas przetworniki analogowo-cyfrowe.

W urządzeniu pomiarowym źródłem sygnału jest czujnik pomiarowy, to jest ta część układu, na którą bezpośrednio działa wielkość mierzona. Sygnał wyjściowy czujnika tylko niekiedy nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w układzie regulacji. Znaczna różnorodność mierzonych wielkości powoduje, że również na wyjściach czujników otrzymuje się różne wielkości fizyczne o bardzo różnych przedziałach zmienności.

Dla umożliwienia łączenia układów pomiarowych z innymi urządzeniami wchodzącymi w skład układów regulacji niezbędne jest przede wszystkim ujednolicenie sygnałów tak, aby sygnały wyjściowe układów pomiarowych miały postać i zakres zgodne z wymaganiami stawianymi sygnałom wejściowym urządzeń współpracujących.

Ze względu na to, że sygnały wyjściowe czujników różnią się postacią i zakresem zmienności, a aparatura regulacyjna wymaga sygnałów standardowych, muszą być stosowane układy pośredniczące. Układy te, zwane przetwornikami pomiarowymi, przetwarzają sygnały wyjściowe czujników na sygnały standardowe. Istnieją również przetworniki przekształcające standardowe sygnały elektryczne na pneumatyczne i odwrotnie oraz przetworniki zmieniające postać sygnału-przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. Sygnał pomiarowy czujnika, zanim zostanie wykorzystany, jest więc poddawany obróbce, podczas której jego postać ulega zmianie, czasem kilkakrotnie.

Na rysunku przedstawiono schemat blokowy układu do pomiaru temperatury z czujnikiem rezystancyjnym, wytwarzającego standardowy pneumatyczny sygnał wyjściowy.

WŁAŚCIWOŚCI URZĄDZEŃ POMIAROWYCH

Właściwości każdego urządzenia określa jego charakterystyka statyczna i dynamiczna. Charakterystyką statyczną elementu pomiarowego nazywamy zależność wartości sygnału wyjściowego od wejściowego w stanie ustalonym. Charakterystyka ta: y = f(x) różni się od charakterystyki idealnej: y* = f(x).

Z tego względu wynik pomiaru obarczony jest błędem, którego wartość bezwzględną określa zależność:

Δy = y - y*

a wartość względną zależność:

Δy

δ = -------------

y max - y min

Wartość maksymalna względnego błędu pomiaru, określonego przy znamionowych warunkach pracy, zgodnie z zależnością :

Δy

δ = ------------- ,

y max - y min

nazywa się błędem podstawowym urządzenia. Błąd podstawowy wyrażony w procentach podawany jest często zamiast klasy dokładności urządzenia.

Błąd podstawowy może być wyznaczony dla określonego egzemplarza, albo dla całej grupy urządzeń jednego typu. Klasa dokładności jest określana dla danego typu urządzeń i w zasadzie pokrywa się z błędem podstawowym dla tego typu.

Oprócz błędu podstawowego urządzenie może wykazywać błędy dodatkowe, wywołane zmianą warunków znamionowych.

Warunki znamionowe pracy podawane są w instrukcjach fabrycznych, przeważnie są one zbliżone do podanych poniżej:

temperatura otoczenia 20°C

ciśnienie otoczenia 1013 hPa

wilgotność względna powietrza 65%

napięcie zasilania 220 V ± 10%

częstotliwość zasilania 50 Hz

ciśnienie zasilania 140 kPa

Oprócz błędu podstawowego i błędów dodatkowych przy pracy urządzeń pomiarowych w układach automatycznej regulacji, szczególnie ważne jest, aby charakterystyka urządzenia była niezmienna w funkcji czasu. Często stałość charakterystyki jest dla układu regulacji nawet ważniejsza niż jej zgodność z charakterystyką idealną.

Niejednoznaczność sygnału wyjściowego jest to różnica między wartościami sygnałów wyjściowych, otrzymywanych dla danej wartości wielkości wejściowej przy dochodzeniu do niej od wartości większych i od wartości mniejszych. Niejednoznaczność jest więc równa szerokości strefy histerezy charakterystyki statycznej urządzenia pomiarowego; podawana jest ona w procentach zakresu pomiarowego.

Liniowość, podawana również w procentach zakresu pomiarowego, jest to największe odchylenie charakterystyki statycznej urządzenia pomiarowego od teoretycznej linii prostej, wyznaczającej tę charakterystykę. Inaczej mówiąc, jest to błąd powodowany nieliniowością charakterystyki statycznej urządzenia.

Próg czułości urządzenia pomiarowego jest to, wyrażona w procentach zakresu pomiarowego, najmniejsza zmiana wielkości wejściowej powodująca zauważalną zmianę sygnału wyjściowego. Próg czułości powinien być nie większy niż 0,1...0,25 błędu podstawowego urządzenia.

Zakresem pomiarowym urządzenia nazywa się zakres zmian wielkości wejściowej, w którym pracuje ono z zachowaniem określonej klasy dokładności. Należy zaznaczyć, że przy łączeniu szeregowym czujnika i przetworników ich błędy mogą się sumować. Dla określenia klasy, powstałego przez takie połączenie urządzenia pomiarowego, należy więc dodać do siebie, podane w procentach, klasy czujnika i przetworników.

Właściwości dynamiczne określane są w ujęciu częstotliwościowym przez podanie częstotliwości granicznej wyznaczonej przez pewne zmniejszenie wzmocnienia (czyli przez dopuszczalny błąd dodatkowy). W ujęciu czasowym rozpatruje się zwykle przebieg na wyjściu przy skokowej zmianie sygnału wejściowego, podając czas ustalania się. Jest to czas, po którym wielkość wyjściowa nie rożni się od tej wielkości w stanie ustalonym więcej niż o pewną określoną wartość.

Właściwości dynamiczne urządzeń pomiarowych zależą od:

1. wielu szczegółów konstrukcyjnych,

2. rodzaju urządzeń współpracujących,

3. sposobu zainstalowania

i szeregu innych czynników.

ŹRÓDŁA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Wynikowa dokładność pomiaru, jaką można uzyskać stosując określone urządzenie pomiarowe, zależy w pierwszym rzędzie od jego klasy dokładności. Aby jednak wyniki pomiaru nie były gorsze niż to wynika z klasy dokładności, musi być spełnionych wiele warunków:

1. Instalacja czujnika nie może zmieniać warunków pracy obiektu, w którym jest on instalowany.

2. Miejsce zainstalowania czujnika powinno być wybrane tak, aby wynik pomiaru był reprezentatywny dla wielkości kontrolowanej.

3. Miejsce i sposób instalacji czujnika powinny być wybierane z uwzględnieniem warunków wynikających z fizycznej zasady pomiaru.

4. Kolejne bloki układu pomiarowego nie powinny wpływać na pracę bloków poprzedzających. Jest to znany z miernictwa elektrycznego warunek nieobciążania źródła sygnału.

5. Dla uzyskania dużej dokładności pomiaru należy dążyć do ograniczenia liczby elementów układu oraz do stosowania wysokiej klasy elementów, szczególnie przetworników.

6. Konieczne jest zapewnienie aparaturze pomiarowej znamionowych warunków pracy, tzn. nie przekraczania dopuszczalnych zakresów: temperatury, wilgotności, zapylenia, wibracji, wahań zasilania, pól magnetycznych itp.

7. Dla zachowania dokładności musi być stosowana kompensacja wpływu wielkości zakłócającej. Przykładem może być temperaturowa kompensacja

PRZETWORNIKI POMIAROWE

Przetworniki pomiarowe wchodzą w skład urządzeń pomiarowych i w związku z tym powinny spełniać takie same wymagania jak inne elementy tych urządzeń, odnosi się to w pierwszym rzędzie do klasy dokładności.

Przetworniki są budowane jako układy bez sprzężenia zwrotnego lub jako autokompensacyjne układy ze sprzężeniem zwrotnym. Przetwornik pracujący w układzie otwartym cechuje kolejne, jednokierunkowe przetwarzanie sygnałów od czujnika przez zespół przetworników pośrednich, aż do uzyskania sygnału wyjściowego o pożądanej postaci. W przetwornikach pracujących w układzie zamkniętym sygnał wyjściowy jest przetwarzany z powrotem do postaci umożliwiającej porównanie go z sygnałem wyjściowym czujnika. Schemat blokowy układu otwartego, przedstawiony na rys. 3.3a, odpowiada manometrowi różnicowemu z czujnikiem indukcyjnościowym, rozbudowanemu o przetwornik otrzymywanego z czujnika indukcyjnościowego sygnału napięcia przemiennego na standardowy sygnał prądowy. Schemat blokowy układu zamkniętego, pokazany na rys. 3.3b, odpowiada działającemu na zasadzie kompensacji sił miernikowi różnicy ciśnień. Obydwa układy mierzą tę samą wielkość: różnicę ciśnień, obydwa wytwarzają taki sam standardowy sygnał prądowy.

Ważnym elementem urządzeń pomiarowych jest przetwornik elektropneumatyczny stosowany jako element przetwarzający elektryczny sygnał pomiarowy na sygnał wejściowy regulatora pneumatycznego.

Przetwornik zbudowany jest w typowym układzie równoważni elektropneumatycznej. Prąd wejściowy przetwornika płynąc przez cewkę znajdującą się w polu magnesu trwałego powoduje powstanie siły. Pod działaniem tej siły nastąpi odchylenie dźwigni, a więc zmiana odległości między dyszą a przysłoną. To z kolei spowoduje zmianę spadku ciśnienia w układzie dysza-przysłona, a więc zmianę ciśnienia wyjściowego z tego układu. Ciśnienie wyjściowe układu dysza-przysłona stanowi po wzmocnieniu sygnał wyjściowy przetwornika, a jednocześnie zasila mieszek kompensujący siłę wytwarzaną przez elektromagnes. W stanie równowagi ciśnienie wyjściowe jest więc proporcjonalne do prądu wejściowego.

Przetworniki działające na zasadzie równoważni, czyli równoważenia sił, stosowane są do przetwarzania na sygnał pneumatyczny sygnałów otrzymywanych z czujników w postaci siły lub ciśnienia.

Zalety równoważni spowodowały, że także przetworniki pneumatyczno-elektryczne są budowane na zasadzie równoważni. Przetwarzany sygnał pneumatyczny zasila mieszek, wytwarzając siłę działającą na dźwignię. Pod działaniem tej siły następuje przesunięcie dźwigni i zmiana rozmiarów szczeliny w czujniku indukcyjnym.

Sygnał elektryczny, otrzymywany z czujnika indukcyjnego, po wzmocnieniu, wyprowadzany jest jako sygnał wyjściowy przetwornika, zasilając jednocześnie uzwojenie elektromagnesu. Elektromagnes wytwarza siłę kompensującą, siłę pochodzącą od mieszka. W położeniu równowagi, gdy wartości obu sił są sobie równe, prąd wyjściowy jest proporcjonalny do ciśnienia wejściowego.

1

1

---