ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 16 страница
■ Перечисленный набор периферийных средств позволяет создать типовые структуры систем автоматического контроля для технологических процессов ЦБП, обладающие достаточной универсальностью и обеспечивающие решения задач по технологическим измерениям и контролю.
9.4. ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ
Преимущественное развитие цифровых устройств и систем для измерения, контроля, регулирования и управления в последнее время объясняется рядом причин:
1. Частотно-цифровые измерительные устройства имеют лучшее метрологическое обеспечение, чем аналоговые устройства, так как в основе метрологической поверочной схемы лежат более точные, образцовые установки, рабочие й государственные эталоны. Так, эталон времени воспроизводит значение секунды с погрешностью ±10~12, в то время как эталон Ампера оценивается погрешностью порядка ±10-5.
2. Дискретные сигналы обладают лучшей помехоустойчивостью, что особенно важно в тяжелых условиях эксплуатации.
3. Пропускная способность линий связи для дискретных сигналов также значительно больше. Это обстоятельство может иметь решающее значение для многоканальных систем контроля, к которым относятся системы контроля технологических производств ЦБП.
4. Измерительные устройства с дискретными выходными сигналами удобно сопрягать с широко распространенными и достаточно совершенными устройствами цифровой техники, начиная от цифровых частотомеров и регуляторов и кончая цифровыми ЭВМ.
Все эти преимущества объясняют интенсивное развитие и применение дискретной электрической подветви ГСП (см. гл.2).
Для реализации преобразования измеряемых величин в дискретные измерительные сигналы существуют две возможности: создавать датчики с частотными, число-импульсными или. кодовыми выходными сигналами, число которых пока ограничено; использовать специальные измерительные преобразователи, называемые аналого-цифровыми, при этом передача ин-
'формации на расстояние может производиться либо в аналоговой (что приводит к значительным погрешностям — 0,5— 1,0 %), либо в дискретной форме.
Дальнейшее преобразование сигналов частотных датчиков, 'которые нашли наибольшее применение в ГСП, сводится I к счету частоты. Эта операция, осуществляемая цифровыми частотомерами, по простоте и точности превосходит на данном этапе развития измерительной техники все другие операции ► при измерениях.
НГ Аналого-цифровые преобразователи и приборы также ши-
роко используются для систем контроля и являются доста-
точно совершенными. В этом случае на вход устройства пода-
ются ток, напряжение или их отношение (сопротивление или
проводимость), а также пневма- т
тическии стандартный . сигнал ^
(см. 9.2), на выходе получают ЛЛЛТх ___________ х
ФУ
либо цифровой код (для преоб гразователей), либо цифровой отсечет (в случае цифровых приборов).
Структурная схема цифрово-
го электронного частотомера,
представляющего измерительный
прибор для частотных датчиков Рис- 9-20
ГСП, изображена на рис. 9-20.
Цифровой частотомер представляет собой счетчики импульсов напряжения fx, поступающих на вход, за точный интервал времени Т0 (чаще Г0=1 с). Он состоит из пяти блоков. Формирующее устройство ФУ преобразует импульсы входного напряжения по величине и форме в такие, которые удобны для воздействия на счетчик импульсов СИ. После преобразования входной сигнал поступает на ключ К, пропускающий последовательность импульсов к счетчику СИ только в течение строго 'определенного интервала времени, на которое ключ открывает блок генератора образцового времени ГОВ. Для управления последовательностью операций при счете импульсов в частотомере используется блок управления БУ.
Число входных импульсов N, сосчитанное счетчиком импульсов СИ, за время Г0, заданное ГОВ, на которое открыт ключ К, управляемый блоком управления БУ,
N = TJX. (9-24)
Из зависимости (9-24) следует, что погрешность измерения числа импульсов N определяется погрешностью нестабильности образцового интервала времени Т0 и погрешностью дискретности счета за время Г0. Первая составляющая зависит от погрешности ГОВ и оценивается величиной бг= ± 10_5-=-10_6,
а погрешность дискретности равна Лд=±1 знак отсчета или в относительном выражении с учетом (9-24)
Поэтому погрешность частотомера, равная сумме
T0fx |
с 1 . о
Сбетобое табло | ||||||
\ | \ | \ | { | |||
Декада 100МГц | Декада 1МГЦ | - | Декада ЮОкГц | Декада тот |
(9-26)
Входной сигнал в формирующем устройстве ФУ подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, а с его выхода на триггер, формирующий напряжение прямоугольной формы. С выхода формирующего триггера сигнал, преобразованный дифференцирующей цепочкой в короткие импульсы, поступает на ключ.
На рис. 9-21, а изображен быстродействующий ключ на пентоде, управляемом по первой и третьей сеткам. На первую сетку подается сигнал измеряемой частоты, на третью — разрешающее к открытию ключ напряжение с ГОВ. Когда напряжение на третьей сетке положительно, с анода снимаются короткие отрицательные импульсы. Эти импульсы поступают на счетчик импульсов СИ, состоящий из нескольких счетных декад. Первые две декады счетчика выполнены на быстродействующих триггерах и имеют повышенную скорость счета, а остальные декады одинаковы и позволяют считать импульсы с частотой не выше 100 кГц. Показания частотомера можно прочесть на световом табло.
Генератор ГОВ для получения точных интервалов времени состоит из задающего кварцевого генератора и ряда делителей частоты на 10, с выхода которых через переключатель, позволяющий выбрать одно из шести различных значений измерительного времени, поступают импульсы на триггер, управляющий ключом.
Блок управления БУ работой частотомера состоит из устройств: выдержки времени, формирования импульсов сброса и линии задержки с дополнительными устройствами для управления ключом.
Работа частотомера иллюстрируется кривыми на рис. 9-21, б. Кривая 1 соответствует точке / схемы рис. 9-21, а и представляет собой выходное напряжение делителя частоты, поступав ющее на триггер времени. В исходном положении триггер времени (через усилитель и линию задержки) держит ключ закрытым, поэтому первый импульс, поступая на оба входа триггера, переводит его в такое состояние, при котором ключ открыт. Но напряжение с выхода усилителя триггера (точка 2 схемы рис. 9-21, а и кривая 2 рис. 9-21, б) поступает на ключ (точка 4 и кривая 4) не сразу, а через линию задержки на несколько микросекунд (на рис. 9-21, б задержка преувеличена), одновременно передним фронтом импульса напряжения из точки 2 запускается формирователь импульса сброса (точка 3 и кривая 3) и все декады одновременно устанавливаются в нулевое положение. Нескольких микросекунд, на которые задерживается отпирание ключа, достаточно для окончания переходных процессов в счетчике, связанных с его сбросом на нуль. После этого ключ отпирается и начинается счет импульсов измеряемой частоты (кривая 4). Следующий импульс делителя частоты опрокидывает триггер времени в исходное положение. Запирание ключа задерживается линией задержки на столько же микросекунд, как и отпирание, и поэтому измерительное время не изменяется.
Задним фронтом выходного напряжения в точке 2 запускается устройство выдержки времени; напряжение на его выходе (точка 5 и кривая 5) становится положительным, и диод, стоящий на входе «Пуск» триггера, запирается. Поэтому поступление импульсов с делителя на вход «Пуск» прекращается, триггер времени остается в исходном положении, а ключ закрытым (период индикации на кривой 4) до тех пор, пока устройство выдержки времени не вернется в исходное положение и не откроет диод пуска триггера времени. Тогда первый же импульс с делителя частоты опрокидывает триггер и весь процесс измерения повторится снова.
Меняя выдержку времени, можно регулировать время индикации, т. е. время считывания показаний частотомера; од
нако при любой регулировке это время останется кратным времени измерения.
Промежутки времени или длительности периода Тх измеряют по описанной структурной схеме, почти не изменяя ее. В этом случае импульсы образцовой частоты fN подаются на счетчик от кварцевого генератора, а в качестве времени счета берется измеряемое время Тх. Число импульсов, поступившее на счетчик и пропорциональное измеряемому.отрезку времени,
N = fNTx.
Как и аналоговые, цифровые приборы делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. Рассмотренные выше цифровые частотомеры и периодомеры являются цифровыми приборами прямого преобразования циклического действия (в отличие от цифровых приборов прямого преобразования непрерывного действия, они встречаются очень редко [31].
Цифровые приборы уравновешивания, к которым относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровые измерительные приборы (ЦИП) напряжения, тока и их отношений, подразделяются на устройства следящего (или следящие) и развертывающего уравновешивания. В первых устройствах уравновешивающий сигнал, изменяясь в сторону уменьшения или увеличения, все время следит за изменением измеряемой величины с точностью до половины ступени квантования сигнала. Во вторых устройствах уравновешивающий сигнал периодически изменяется по заранее заданной программе только в одну сторону и новое его значение определяется после сброса на нуль предыдущего значения. Развертывающее уравновешивание может быть как линейным (плавным), так и со ступенчатым (квантованным) изменением уравновешивающего параметра, причем ступенчатое уравновешивание разделяется на равномерно-ступенчатое и неравномерно-ступенчатое (или поразрядное) .
Все цифровые устройства выдают результат измерения дискретно во времени, но могут обладать очень высоким быстродействием. В зависимости от типа используемых в них элементов цифровые устройства делятся на электромеханические, в которых применяются электромеханические узлы (реле, двигатели, переключатели и др.) и быстродействие которых оценивается 0,5—2 с, и на электронные, реализованные на ламповых и полупроводниковых элементах с очень высоким быстродействием до 30 млн. измерений в секунду.
Благодаря ряду преимуществ наибольшее применение для АЦП и ЦИП нашли устройства развертывающего уравновешивания, которые рассмотрены ниже.
ЦИП и АЦП с линейным изменением уравновешивающей величины. Структурная схема подобных устройств [45] (иначе называемых устройствами с время-импульсным преобразованием) с генератором линейно изменяющегося напряжения приведена на рис. 9-22, а.
&ty |
fo |
си |
СУ |
Ц/р |
т |
На вход сравнивающего устройства СУ подается измеряе-
мое напряжение Ux и уравновешивающее напряжение Uyp от
специального источника уравновешивающего напряжения. Та-
ким источником является генератор либо линейно растущего
(рис. 9-22, б), либо линейно падающего напряжения, т. е.
генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН (рис.
9-22, а). Блок управления БУ
периодически запускает гене-
ратор линейно изменяющегося
напряжения, одновременно от-
крывая ключ К. В моменты ра-
венства напряжений Ux и £/ур
сравнивающее устройство, воз- гдт
действуя на ключ, закрывает его.
Таким образом, измеряемое на-
пряжение оказывается преобра-
зованным в интервал времени
y,Atx между началом периода ли-
нейно изменяющегося напряже-
ния £/уР и моментом равенства Кт^Н—I * £п \--------------------------- 1—*-t
напряжений Uyvt и Ux, т. е. Ux= ISM,
где S — чувствительность или крутизна изменения во времени уравновешивающего напряжения Uyv и S=Un/Tn (рис. 9-22, б)
foTi |
и: |
U и |
Поскольку электронный ключ К пропускает к счетчику импульсов СИ импульсы от генератора образцовой частоты ГОЧ только в течение времени, равного Atx (как и для Тх), то число импульсов N=foAtx, сосчитанных счетчиком, оказывается пропорциональным с учетом (9-26) величины Ux:
(9-27)
Для измерения сопротивлений можно использовать цифровые вольтметры постоянного тока с линейным уравновешиванием.
Для этого в комплект вольтметров добавляются устройства предварительного преобразователя сопротивления в напряжение. Такие преобразования осуществляются наиболее просто на основе стабилизаторов тока. Измеряемое сопротивление включается в качестве нагрузки стабилизатора тока, а падение напряжения на нем оказывается прямо пропорциональным измеряемому сопротивлению.
Цифровые приборы со ступенчатым уравновешиванием имеют различные структурные схемы в зависимости от того, как осуществляется уравновешивание. Наиболее просты схемы приборов с равноступенчатым уравновешиванием. Недостатком приборов с подобным уравновешиванием является их малое быстродействие [45].
АЦП и ЦИЦ с поразрядным уравновешиванием (иначе называемые приборами с дискретным уравновешиванием). Значительно большее быстродействие обеспечивают цифровые приборы с поразрядным уравновешиванием. В этих приборах измеряемое напряжение в автоматическом режиме сравнивается с уравновешивающими напряжениями, отличающимися друг от друга на размер, изменяющийся по определенному закону. Закон изменения этих напряжений для преобразования выходной величины в дискретный сигнал должен подчиняться желаемой системе счета: двоичной, десятичной или другой. В двоичной системе счета образцовое напряжение набирается следующими ступенями: 1+2+4 + 8+16 и т. д. При десятичной системе счета напряжения внутри каждой декады в зависимости от выбранного кода могут воспроизводиться различными ступенями например 5+3+2 + 1, 4 + 3+2+1, 2+4 + 2 + 1, и т. д. Наиболее широкое распространение нашли коды 4, 2, 1, 1 и 2, 4, 2, 1.
Рассматриваемые цифровые устройства по принципу действия аналогичны переносным потенциометрам (см. 9.3) с ручным уравновешиванием, в которых уравновешивающее напряжение образуется как сумма дискретных падений напряжений на резисторах компенсационной цепи. Отличие их от этих приборов заключается в том, что дискретные значения выбраны в соответствии с определенным кодом, а операция уравновешивания автоматизирована.
На рис. 9-23 показана упрощенная структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока с подразрядным уравновешиванием (типа Щ-1411)
Центральная часть измерительного устройства состоит из сравнивающего устройства СУ, в котором измеряемое напряжение Ux/n после входного делителя ВЦ в п раз уравновешивается напряжением Uyv, поступающим от преобразователя код — напряжение ПКН. СУ обычно представляет собой усилитель постоянного тока с большим входным сопротивлением и автоматической коррекцией дрейфа нуля. Основной его характеристикой является порог чувствительности, который определяет значение остаточной недокомпенсации.
ПКН состоит из цепи, например, трех декад основных образцовых резисторов R и аналогичной цепи трех декад замещающих резисторов R', питающихся от источника стабилизо-рованного напряжения ИСН. Сумма падений напряжений на образцовых резисторах образует уравновешивающее напряжение f/yp и позволяет изменять его в соответствии с кодовым
— ГТИ |
ВУ |
Ьядом, например со значениями в 20; 40; 20; 10; 2; 4; 2; 1; 0,2; 0,4; Г0,2; и 0,1 В, т. е. с напряжением квантования от 0,1 до 99,9 В. Шри замыкании накоротко любого из основных резисторов Ri ключом Кг одновременно при помощи ключа К/ в цепь ПКН ■включается замещающий резистор R/, что обеспечивает посто-
ВД | ||||
д | УП | |||
%шство подключенного к ИСН суммарного сопротивления (при любой комбинации открытых и закрытых ключей Кг) и, следовательно, тока и падений напряжений в цепи образцовых ре-ристоров.
Для организации автоматической работы прибора в него [входят генератор тактовых импульсов ГТИ, распределительное ^устройство РУ, коммутирующее устройство КУ, блок управления БУ, дешифратор Д и устройство представления цифровой
информации УП (для отсчета и регистрации). Дополнительные устройства типа переключателя ряда работ, полярности, блока питания цепей прибора и др. на схеме не показаны.
При включении прибора импульс от БУ приводит цепи устройства в исходное состояние и запускает ПИ. Последний через РУ подает на КУ тактовые импульсы, при помощи которых производится поочередное (обычно от старшей декады) выключение образцовых Rf и включение замещающих R/ резисторов. Если UJn^Uyp, то очередной резистор остается включенным,если UJn<Uyv, то выключается очередной, но только данный резистор. При Ux/n=Uyp операции сравнения заканчиваются, а в КУ фиксируются соответствующие положения ключей Ki. Это положение ключей в КУ образует трехразрядный двоично-десятичный код, который преобразуется дешифратором Д в десятичный код и представляется в УП.
После выдержки времени для считывания результата импульсом от БУ все блоки устройства приводятся в исходное состояние и начинается второй цикл измерения.
ЦИП с подразрядным уравновешиванием широко применяются для измерения параметров электрических цепей (R, С, L и tg6). В этом случае они содержат преобразователь код — аналог, выполненный из сочетания моста, в одно из плеч которого включается измеряемая величина (/?, L или С), и преобразователя код —напряжение ПКН, аналогичного описанному выше для цифрового вольтметра.
Погрешности ЦИП с подразрядным уравновешиванием определяются переходными сопротивлениями коммутирующих цепей, совершенством СУ, ИСН, ПКН, а также погрешностью дискретности отсчета. В настоящее время цифровые вольтметры обеспечивают высокую точность (у= ±0,001%) и широкие пределы измерения напряжения в цепях постоянного тока.
В серии АСКР-ЭЦ также широко представлены АЦП для работы в цепях постоянного тока. Например, предусмотрено устройство для аналого-цифрового преобразования (А328-18) с числом каналов от 16 до 16x16, установка централизованного контроля технологических параметров (А.701-03) с цифровыми измерениями, регистрацией и выходными сигналами и др. [1].
Для цифровых измерений переменных напряжений на входе цифровых вольтметров постоянного тока устанавливается преобразователь переменного тока в постоянный (например, выпрямительный). Однако сравнительно невысокие точность и быстродействие таких устройств заставляют отдавать предпочтение измерительным сигналам постоянного тока для их использования в цепях контроля и управления.
' Глава 10
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Современные производства, например в ЦБП, характеризуются многочисленными и разнообразными изменяющимися во времени и пространстве, часто взаимосвязанными физическими величинами, определяющими _ оптимальное и безопасное протекание технологических процессов, технико-экономические показатели работы отдельных агрегатов и производств в целом. Для измерения и контроля этих величин становится невозможным обойтись только автономными приборами и обычными приборными щитами, представляющими ин-Рформацию оператору.
Современная измерительная техника на основе использования достижений вычислительной техники, радиоэлектроники и автоматики позволяет получать сведения о большом числе величин, часто быстро меняющихся, различных по своей физической природе и по диапазонам значений и нередко связанных аналитическими или стохастическими зависимостями. При этом результаты измерений, как правило, должны быть сосредоточены в одном или нескольких центрах и представлены в формах удобных для использования операторами или управляющими машинами, а датчики, установленные на ■объектах измерения, рассредоточены в пространстве и удалены на значительные расстояния.
Действительно, психофизиологические возможности человека при использовании большого числа обычных измерительных приборов оказываются недостаточными даже для простого наблюдения за их показателями. Еще труднее работать оператору в случае, если по результатам измерения отдельных величин необходимо делать какие-либо обобщающие выводы или заключения, а для этого необходима сложная, иногда и срочная обработка получаемой 1 информации.
В то же время не вся поступающая измерительная информация является одинаково важной. Так, в ряде случаев достаточно иметь обобщенную качественную информацию о поведении всего объекта в целом, а значения отдельных параметров, характеризующих исследуемый процесс, не важны. Иногда достаточно иметь информацию только о тех параметрах, которые вышли за допустимые или нежелательные пределы. Кроме того, различные параметры можно измерять с разной частотой. Например, температуру, как величину более инерционную, можно измерять (а следовательно, и предъявлять результаты измерения температуры оператору) реже, чем вибрацию.
Для получения большого объема информации, ее обработки и представления в обобщенных формах необходимо не множество измерительных приборов, а достаточно сложные устройства, которые могли бы: получать информацию непосредственно от измерительных датчиков, расположенных на объектах исследований; выполнять измерительные операции, т. е. сравнивать измеряемые величины со шкалами (или единицами) измерений; производить математические и (или) логические операции по определенным алгоритмам, как правило, с помощью вычислительной техники и автоматики с целью
обработки измерительных сигналов; хранить полученную информацию и выдавать ее потребителям в требуемой форме, обычно централизованно [1, 28].
Такими устройствами являются информационные измерительные системы (ИИС), представляющие совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ [16].
Обобщенная структурная схема ИИС представлена на рис. 10-1.
Блоки сбора информации включают в себя: комплект измерительных преобразователей, воспринимающих и селектирующих измеряемые информативные величины и преобразующих их в измерительные сигналы; унифицирующие устройства, осуществляющие преобразование разнообразных измери-
Блоки измерения |
Блоки пред-оглавления информации |
Блоки хранения информации |
Блоки обработки информации |
Блоки управления
Объект | Блоки | ||
сбора инфор- | |||
мации |
Блоки питания
Рис. 10-1
тельных сигналов в единый унифицированный измерительный сигнал; коммутирующие устройства, предназначенные для поочередного подключения преобразователей к системе через каналы связи или после них.
Блоки измерения выполняют собственно измерительные операции в виде сравнения со шкалой или единицей измерения входных унифицированных сигналов.
Блоки обработки информации выполняют математическую и логическую обработку при проведении косвенных или совокупных измерений и для получения стохастических характеристик и т. д.
Блоки хранения и представления информации обычно состоят из запоминающих, а также показывающих и регистрирующих устройств, предназначенных для выдачи информации,
ИИС обычно включают в себя блоки управления, которые задают алгоритм работы всей системы, а также позволяют, например автоматически, в зависимости от характера контролируемых процессов выбирать шаг квантования по времени и уровню, подключать те или иные датчики и т. д.
Кроме того, для питания упомянутых блоков используются разнообразные специализированные устройства питания, которые приведены в блоках питания.
Перечисленные устройства входят в состав системы в самом общем случае. В частных случаях те или иные устройства могут и отсутствовать.
Информационно-измерительные системы можно классифицировать по ряду признаков, например структуре, назначению, расстоянию до исследуемого объекта, характеру взаимодействия с объектом и т. д.
По структуре информационно-измерительные системы можно разделить на несколько основных групп [28, 42]:
1. С параллельными измерительными каналами (рис. 10-2, а)—структуры параллельного действия. Общими в таких системах являются устройства управления и представления информации. Системы с параллельными каналами могут иметь и независимые устройства представления в каждом канале.
2. С одним измерительным каналом, к которому последовательно во времени подключаются различные датчики — структуры параллельно-последовательного действия. Переключение датчиков осуществляется коммутатором (рис. 10-2,6).
Надежность первой структуры значительно выше, так как выход из строя одного канала не влечет за собой выхода всей системы. Однако вторая структура значительно проще и дешевле.
3. С одним измерительным каналом и одним датчиком (рис. 10-2, в),
которые с помощью сканирующего устройства [28] осуществляют измерение
в точках контроля.
Подобные структуры называют структурами последовательного действия, а системы, выполненные по такой структуре, сканирующими.
4. Системы, в которых процесс измерения осуществляется с помощью
общей для всех каналов мерой (рис. 10-2, г) и индивидуальным для каждого
канала устройством сравнения СУ измеряемой величины с мерой. Системы,
имеющие подобную структуру, называются мультиплицированными
развертывающими системами [28].
По назначению системы можно подразделить на три группы [28] на: 1) собственно измерительные системы (ИИС); 2) системы автоматического контроля и управления (САК); 3) системы технической диагностики (СТД).
Системы первой группы могут предназначаться для прямых, а также для косвенных совместных и совокупных измерений [28, 42]. Они обычно используются при исследованиях объектов и процессов различного рода и имеют высокие метрологические характеристики. Предварительная информация об исследуемых объектах иногда минимальна, а часто и отсутствует, поэтому измерительная система должна быть универсальной по своей структуре и возможностям. Информация в таких системах имеет количественный характер и выдается в виде именованных чисел или их отношений и, как правило, представляется непосредственно оператору. Средства представления информации самые различные: показания стрелочных и цифровых приборов, графики, таблицы и т. д. Системы могут работать и в режиме советчика, когда нет времени на обдумывание ситуации. В этом случае информация может быть выдана в виде краткой инструкции, которой следует пользоваться оператору.
Некоторые ИИС способны выполнять сложную математическую обработку измерительной информации. Результат измерения в таких системах выдается в виде логических заключений или обобщенных данных.
12 Заказ № 301 345
#
I
i—
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 666;