Средства управления технологическими процессами. Микроконтроллеры. Исполнительные механизмы и регулирующие органы
Содержание занятия:
Основной материал:
К средствам управления пищевыми технологиями относятся микроконтроллеры, исполнительные механизмы (ИМ), регулирующие органы (РО) и коммутирующая аппаратура.
Контрольные вопросы
Литература
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 13
Средства визуализации данных
Содержание занятия:
Основной материал:
Цифровые СИ (ЦСИ) – это измерительные приборы или измерительные устройства, предусматривающие либо цифровой отсчет показаний, либо цифровое преобразование измерительной информации: ЦИУ (ЦИП) - цифровые измерительные устройства (приборы); ИВК – информационные вычислительные комплексы; АЦП – аналого-цифровые измерительные преобразователи; ЦАИ – цифроаналоговые измерительные преобразователи. Для большинства ЦСИ характерно линейное преобразование измеряемой величины, т.е. показание ЦСИ пропорционально числовому значению измеряемой величины или ее отклонению от заданного (например) значения. Различают однопредельные, многопредельные и комбинированные ЦСИ для прямых, косвенных или совокупных измерений.
Обобщенная структурная схема ЦСИ (рис. 8) включает аналоговый преобразователь (АП) входной величины, квантователь (КВ), преобразователь (ПК) и отсчетное устройство (ОУ).
Рис. 8. Блок-схема ЦСИ
Для упрощения на схеме рис. 1 не показаны блоки синхронизации, управления, памяти и другие блоки и устройства для обеспечения заданного качества работы ЦСИ. Отметим лишь, что квантователь осуществляет квантование входного аналогового сигнала по уровню (или по времени). В общем случае ЦСИ производит над измеряемой величиной три операции. квантование по уровню, дискретизацию времени и кодирование. Дискретизация по времени заключается в том, что измерение производится периодически (дискретно) в моменты времени, задаваемые, например, генератором цикла. Интервал времени от момента подачи входного сигнала до момента получения кодов называется временем цикла.
|
|
|
Принцип действия ЦСИ определяется принципом действия его квантователя: время-импульсное ЦСИ имеет квантователь интервала времени; частотно-импульсное ЦСИ имеет квантователь частоты; кодо-импульсное (или поразрядного уравновешивателя) ЦСИ содержит квантователь постоянного тока или напряжения. Встречаются и комбинации квантователей.
В общем случае показание отсчетного устройства ЦСИ
y = qU, (6-1)
где q – шаг (квант, ступень) квантования в единицах измеряемой величины.
Константа q – важнейшая метрологическая характеристика ЦСИ, устанавливающая связь между измеряемой величиной х и выходным кодом и определяющая чувствительность ЦСИ (S=1/q). Величину q называют номинальной ценой единицы наименьшего (младшего) разряда кода (ЕМР).
|
|
|
q=k 10m, (6-2)
где k=1, 2 или 5; т – любое целое число (положительное или отрицательное) или нуль.
В любом ЦСИ СИ предусмотрено определенное количество десятичных разрядов, каждый из которых реализует возможные состояния входного сигнала, соответствующие цифрам от 0 до 9. Тогда максимальное число Nmax которое может индицироваться на ОУ, при трех разрядах составляет 999, при четырех – 9999 и т. д. По аналогии со стрелочными СИ число Nmax называют длиной цифровой шкалы.
Количество квантов Nqсовпадает с Nmax при k=l. В общем случае Nq=Nmax/k и число Nq называют разрешающей способностью ЦСИ, которую обозначают в виде отношения, например, 1:999.
Величина Nmax определяется разрядностью ЦСИ и при полном использовании старшего разряда
Nmax = cn - 1, (6-3)
где с – основание системы счисления; n – число разрядов. Например, при c = 10 и n=4 Nmax = 10000 – 1=9999.
При заданной верхней границе хmaxдиапазона измерений
(6-4)
При анализе погрешностей измерения ЦСИ рассматривают два режима статический и динамический.
Погрешность измерения в динамическом режиме зависит не только от свойств ЦСИ, но и от свойств измеряемого сигнала, к примеру частотного спектра изменений xвх,подаваемого на ЦСИ. Поэтому для описания влияния динамических свойств ЦСИ на погрешность измерения в динамическом режиме понятие динамической погрешности не используют, а рассматривают только динамические характеристики самого ЦСИ, в частности, его переходную характеристику.
|
|
|
Основная метрологическая характеристика линейного ЦСИ – номинальная функция преобразования
y = kS x, (6-5)
где kS = const – номинальный коэффициент преобразования. Почти все ЦСИ выполняют так, что kS = 1.
Достоинства ЦСИ заключаются в высокой точности и помехозащищенности, представлении измерительной информации в цифровой форме.
Измерительный мост (мост Вестона) представляет собой электрическую цепь, состоящую из четырех плеч (резисторов), которая питаются от источника питания, включенного в диагональ питания а- b (рис.1). В измерительной диагонали моста с-d включен измерительный прибор с сопротивлением Rг (нуль-гальванометр).
Мост Вестона обладает свойством равновесия: если равны произведения сопротивлений противоположных плеч, то мост находится в равновесии и ток в измерительной диагонали отсутствует (уравнение 3-1).
|
|
|
(3-1)
Icd = 0
| с |
| R3 |
| R2 |
| U |
| R4 |
| R1 |
| RГ |
| d |
| a |
| b |
Рис. 3. Принципиальная схема неуравновешенного моста
Мосты делятся на неуравновешенные (когда три плеча постоянные сопротивления, а одно переменное) и уравновешенные (два плеча постоянные, два – переменные).
Неуравновешенный мост в момент измерения находится в состоянии разбаланса (неуравновешен). Неизвестное сопротивление датчика температуры R4 (рис.1) определяется по величине тока в измерительной диагонали cd:
I= U[R1 R3 – R2 R4 / Rг (R1+ R2)+ R1 R2(R3+ R4)+ R3 R4(R1 +R2)] (3-2);
Исходя из уравнения 1-2 условием точного измерения для неуравновешенного моста будет постоянство напряжения питания схемы U:
U = const (3-3)
Поэтому неуравновешенные мосты (в цифровых приборах ) должны запитываться стабилизированным напряжением постоянного тока для того, чтобы выходной ток зависел только от сопротивления датчика R4:
I= f(U, , R4,) (3-4)
Уравновешенный мост ( рис.4) в момент измерения должен быть всегда уравновешен с помощью второго переменного сопротивления R3, называемом реохордом (калиброанное проволочное сопротивление с подвижным контактом).
| R3 |
| R2 |
| U |
| R4 |
| R1 |
| 1 1 |
Рис.4. Принципиальная схема уравновешенного моста
Уравнение измерения уравновешенного моста получают решением уравнения равновесия (1-1) относительно неизвестного сопротивления (датчик) R4:
R3 -2Rл (3-5)
В уравнении 3-5 напряжение питания отсутствует, значит оно не влияет на показания прибора. Поэтому питание измерительной схемы в уравновешенных мостах выполняется переменным пониженным напряжением промышленной частоты (6,3 В), что являлось достоинством этих приборов. Мостовые измерительные схемы применяются для измерения температуры в комплекте с термометром сопротивления, включенным в одно из плеч моста.
Автоматический уравновешенный мост (рис.3) осуществляет автоматическое уравновешивание путем изменения сопротивления плеч. Если потенциалы диагонали cd не равны, то сигнал с измерительной диагонали поступает на электронный усилитель (ЭУ). Выходной сигнал ЭУ приводит в движение реверсивный двигатель (РД), который перемещает движок реохорда RP до тех пор, пока не наступит новое равновесие моста. Сопротивление RP рассчитано таким образом, что при измерении температуры от минимального значения до максимального движок реохорда перемещается от одного крайнего положения до другого. Параметр m определяет положение движка в долях от RP.
| m |
| РД |
| ЭУ |
| Rt |
| RЛ |
| RЛ |
| RЛ |
| R3 |
| R2 |
| RP |
| R1 |
| U п |
C
a
d
Рис.5.
Автоматический уравновешенный
мост с трехпроводной схемой включения ТС
Трёхпроводная схема включения датчика позволяет исключить температурную погрешность, т.к. сопротивления подводящих проводов ( Rл ) окажутся как в правой , так и в левой частях уравнения равновесия.
m = D Rt[ R2/ RP( R2+ R3)];
Основным недостатком приведенной схемы, является низкая точность на границах диапазона, невозможность измерения малых сопротивлений, громоздкость, наличие механических узлов. Классы точности приборов – 0,25 и 0,5.
Расчет измерительной схемы автоматического уравновешенного моста рассмотрим на конкретном примере:
Исходные данные:
НСХ термометра сопротивления 50М;
Диапазон измерений: 
, 
показаний прибора;
Относительное сопротивление термометра β= 
; 
; 
; 
;
Цель расчета: определить значения сопротивлений измерительной схемы.
. Измерение термоэДС термопар может выполняться компенсационным методом (косвенное измерение), цифровым вольтметром (прямое измерение) или миллиамперметром после нормирующего преобразователя, преобразующего милливольтовый сигнал термопары в токовый сигнал.
Электронные потенциометры предназначены для непрерывного измерения электродвижущей силы постоянного тока. При измерении температуры на вход потенциометра подключается термоэлектрический преобразователь-термопара.
Принцип действия потенциометра основан на компенсационном (нулевом) методе измерения: измеряемая термо-ЭДС компенсируется падением напряжения рабочего тока на реохорде от дополнительного источника.
Основное преимущество компенсационного метода заключается в том, что значение термо-ЭДС не зависит от сопротивления цепи термоэлектрического термометра. Уравнение измерения (компенсации): в момент компенсации произведение рабочего тока на сопротивление реохорда должно равняться термо-ЭДС.
, (5-1)
При условии постоянства рабочего тока I измеряемая термо-эДС определится по значению сопротивления реохорда R рх
Термо-ЭДС термоэлектрического термометра ЕТ компенсируется падением напряжения на участке б-е автоматически. Если Uбе не равно ЕТ, то на вход электронного блока ЭБ подается разность сигналов D U = Uбе - ЕТ, которая усиливается. Далее сигнал поступает на реверсивный двигатель, который перемещает движок реохорда RP таким образом, что D U начинает уменьшаться и становится равным нулю, после чего выходной сигнал ЭБ не будет вызывать движения реверсивного двигателя и движок реохорда остановится. Вместе с перемещением движка реохорда по шкале прибора одновременно перемещается стрелка, отмечая показания измеряемой температуры. Источник питания стабилизированный ИПС используется для стабилизации рабочего тока.
| I1 |
| I2 |
| RУ |
| ИПС |
| RK e RM d RH c RPх a Rb |
| К И |
| ЕТ |
| ЭБ |
| РДРД |
| РД |
Рис. 7. Принципиальная схема автоматического потенциометра.
Для автоматического введения поправки на температуру холодного спая термоэлектрического термометра в схеме потенциометра имеется медный резистор (RM), который расположен рядом с холодным спаем термопары и имеет ту же температуру, что и он. Из схемы видно, что медный резистор и измерительный реохорд включены в разные контуры с различными по направлению и значению рабочими токами (I1=3 mA; I2=2 mA). Это сделано для того, чтобы ввести и поправку в показания на температуру холодного спая и уравновесить термо-ЭДС.
Регистратор-видеограф Элметро-ВиЭР-10,4" предназначен для преобразования, регистрации и отображения измерительной информации, принимаемой по нескольким каналам. Регистратор предназначен для замены бумажных самописцев и может выступать как система сбора и передачи данных в систему управления, т.к. имеет интерфейс с внешней сетью RS-485 (ModBus RTU) и Ethernet (Modbus/TCP).
Регистратор обеспечивает:
- архивирование результатов преобразования входных сигналов;
- представление результатов преобразования в цифровом виде, в виде шкал, в виде графиков и отображение на графическом дисплее;
- отсутствие потери информации при неоднократном выключении/включении питания в произвольный момент времени во всем диапазоне питающих напряжений.
Аналоговые входы (АВ) регистратора – универсальные и индивидуально конфигурируются на преобразование сигналов:
- термопар;
- термометров сопротивления;
- пирометров;
- силы постоянного тока;
- напряжения постоянного тока;
- сопротивления постоянному току.
Аналоговые входы с выходом питания (АП) рассчитаны на подключение следующих типов датчиков:
- датчики с выходным сигналом силы постоянного тока;
- датчики с выходным сигналом напряжения постоянного тока.
Каждый вход имеет встроенный изолированный преобразователь напряжения (20В, до 25мА) для обеспечения питания подключаемых датчиков.
Аналоговые выходы (АЕ) предназначены для преобразования заданных численных значений в аналоговый токовый сигнал и служат для подключения различных исполнительных устройств с соответствующим токовым входом.
Контрольные вопросы
Литература
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 79; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!