Области применения емкостных датчиков

Контрольные вопросы к аттестации по предмету

1. Основные виды автоматизации.

В зависимости от функций, выполняемых специальными автоматическими устройствами, различают следующие основные виды автоматизации: автоматический контроль, автоматическая защита и автоматическое управление.

Автоматический контроль включает в себя автоматические сигнализацию, измерение, сортировку и сбор информации.

Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений технологического процесса.

Автоматическое измерение предназначено для измерения и передачи на специальные указательные или регистрирующие приборы физических величин, характеризующих технологический процесс или работу машин. Обслуживающий персонал по показаниям приборов судит о качестве технологического процесса или о режиме работы машин и агрегатов.

Автоматическая сортировка предполагает контроль и разделение продукции по размеру, весу, твердости, вязкости и другим показателям (например, сортировка зерна, яиц, фруктов, картофеля и т. п.).

Автоматический сбор информации предназначен для получения информации о ходе технологического процесса, о качестве и количестве выпускаемой продукции, для обработки и выдачи информации обслуживающему персоналу.

Автоматическая защита представляет собой совокупность технических средств, которые при возникновении ненормальных и аварийных режимов либо прекращают контролируемый производственный процесс (например, отключают определенные участки электроустановки при возникновении на них коротких замыканий), либо автоматически устраняют ненормальные режимы. Автоматическая защита очень тесно связана с автоматическим управлением и сигнализацией. Она воздействует на органы управления и оповещает обслуживающий персонал об осуществленной операции. Защиту, выполняемую на реле, называют релейной защитой. Релейная защита широко применяется на электрических станциях, подстанциях, в сетях и различных электроустановках.

Автоматическая защита включает в себя также автоблокировку. Устройства автоблокировки в основном предназначены для предотвращения неправильных включений и отключений оборудования и тем самым предупреждают повреждения и аварии.

2. Основные понятия автоматических систем управления.

Чувствительные устройства (измерительныеустройства, датчики) служат для измерения подаваемых на управляющеестройство воздействий (сигналов) X, Х3 и F.

Вычислительное устройство реализует алгоритмработы управляющего устройства. В простейшем случае оно осуществляетпростые математические операции, такие, как операция сравнения,определяющая разность Х3 – X, операции интегрирования,дифференцирования, статического нелинейного преобразования и т. п. Вболее сложных случаях вычислительное устройство может представлятьсобой цифровую вычислительную машину (ЦВМ) и даже комплекс такихмашин.

Исполнительные устройства предназначены для непосредственного управления объектом, т. е. изменения его состояния всоответствии с сигналом, выдаваемым вычислительным устройством.Помимо перечисленных выше частей, в состав управляющегоустройства могут входить различные специальные устройства, напримерпреобразователи, служащие для согласования отдельных частей системы,устройства связи и т. п.

При рассмотрении процессов в САУ важное значение имеют 5следующие понятия: устойчивость системы, качество процесса управления иточность управления.

Устойчивость – это свойство системы возвращаться в установившееся состояние после того, как она была выведена из этогосостояния каким-либо возмущением. Замкнутые САУ, как всякие замкнутыесистемы, весьма склонны к потере устойчивости, что чаще всего проявляетсяв возникновении расходящихся колебаний (генерации). Например, такаянеустойчивость системы регулирования напряжения генератора,изображенной на рис. В-2, в, выразится в возникновении колебаний напряжения генератора со все возрастающей амплитудой. Переходные процессы,показанные на рис. В-3, соответствуют устойчивой системе, посколькуотклонения напряжения со временем не возрастают, а уменьшаются,затухают. Если отбросить особые случаи, можно сказать, что устойчивостьявляется необходимым условием работоспособности всякой САУ.

Качество процeсса управления характеризуется тем,насколько процесс управления близок к желаемому. Количественно оноопределяется критериями качества, которые выбираются в соответствии сцелью управления. Например, для упомянутой выше системы регулированиянапряжения генератора качество может оцениваться такими критериями, каквеличина максимального отклонения напряжения генератора, вызванногоскачком нагрузки, колебательность переходного процесса, его длительность.

Точность управления характеризуется погрешностью системы в установившихся режимах. Например, для системы регулированиянапряжения генератора точность определяется величиной установившегосяотклонения напряжения генератора от заданного значения по окончаниипереходного процесса.

3. Классификация автоматических систем управления.

САУ (САР) различают по следующим признакам:

– по принципу управления

– по цели управления (системы стабилизации или САР, системы программного управления и следящие системы);

– по структуре ( замкнутые и разомкнутые);

– по количеству управляемых величин (одномерные и многомерные);

– по характеру величин или сигналов (непрерывные и дискретные);

– по характеру изменения параметров (стационарные и нестацио-нарные);

– по характеру математического описания (линейные и нелинейные);

– по способности приспосабливаться к изменениям внешних условий (адаптивные и неадаптивные);

– по виду функциональной схемы или топологии (одноконтурные и многоконтурные);

– по воздействию ИМ на РО (прямого и непрямого действия);

– по наличию статической ошибки  (статические и астатические).

1. Обратные связи в автоматических системах управления.

Обратная связь - это связь, по которой информация о состоянии объекта управления (контролирующее воздействие, соответствующее действительному значению управляемой величины) передается с выхода системы на ее вход.

Обратные связи подразделяются на: а) отрицательные и положительные; б) жесткие и гибкие; в) главные и местные.

Если воздействие обратной связи, поступающее на вход системы, по знаку совпадает со знаком задающего воздействия, то ее называют положительной. В противном случае говорят об отрицательной обратной связи.

Если передаваемое воздействие зависит только от выходной величины и не зависит от времени, связь считают жесткой. Жесткие обратные связи действуют как в установившемся, так и в переходном режиме.

Обратная связь, оказывающая влияние на работу систем только в переходном режиме, называется гибкой.

Такие связи реагируют на приращения воздействий, поступающих на их вход. Те из них, что реагируют на производные от воздействий, называют дифференцирующими, а на интегралы от воздействий – интегрирующими, гибкими обратными связями.

Если обратная связь соединяет вход системы с ее входом, то ее называют главной, остальные же обратные связи считаютместными. Они служат для улучшения регулировочных свойств отдельных элементов или их групп, соединяя вход элементов или группы элементов с соответствующим входом. Местные связи получили также второе название – корректирующие связи. Местные связи, как и главная связь, по своей сути могут быть гибкими или жесткими.

Размыкание главной обратной связи, превращает систему замкнутого цикла функционирования в разомкнутую, а при размыкании же местной обратной связи, замкнутая система будет продолжать работать по замкнутому циклу.

2. Элементы автоматики.

Датчики

элемент автоматики, функционально преобразующий

входную физическую величину в сигнал, удобный для измерения и дальнейшей обработки.

Магнитные усилители:

Магнитным усилителем называется электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, в котором используются зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом. Магнитные усилители являются усилителями переменного тока, а управляются сигналом постоянного тока.

Стабилизаторы напряжения:

Стабилизатором называется устройство, автоматически поддерживающее значение выходной величины (напряжения, тока, давления, усилия) с заданной степенью точности.

Переключающие устройства.

Переключающим устройством называется устройство, предназначенное для коммутации Эл. Цепей постоянного и переменного тока малой, средней и большой мощности.

Распределители.

Распределителями называются устройства, автоматически подключающие по заданному закону или по программе различные источники информации к одному потребителю.

3. Передаточные коэффициенты элементов автоматики.

Передаточной функция звена или системы– отношение изображения выходной величины к изображению входной величины при нулевых начальных условиях.

Преобразование Лапласа обладает следующими свойствами: операциям дифференцирования и интегрирования в приведении вещественной переменной соответствуют эквивалентные алгебраические операции умножения и деления с использованием комплексной переменной

4. Погрешность и порог чувствительности элементов автоматики.

Порог чувствительности — это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной нечувствительности—. Чем больше, тем хуже элемент. Например, у электродвигателя порог чувствительности равен напряжению трогания двигателя.

Погрешность элемента появляется из-за неточной тарировки: или градуировки (вследствие разброса параметров) элементов в процессе их изготовления (в пределах установленных допусков). В результате погрешности происходит отклонение характеристики элемента от заданной «идеальной» статической характеристики. Погрешность элемента может также возникнуть в результате изменения его внутренних свойств (старение, износ) или внешних факторов (воздействие температуры, влажности, питающего напряжения).

5. Функциональная схема автоматических систем управления.

В электронике на функциональной схеме прорисовывают все функциональные элементы (конструктивные элементы).

В теории регулирования на функциональной схеме изображаются основные (укрупненно) элементы, несущие функциональную нагрузку и включающие несколько конструктивных элементов (например, двигатель и редуктор объединятся в исполнительное устройство). В ряде случаев двигатель, а не нагрузка, принимается за объект регулирования.

6. Структурная схема автоматических систем управления.

Структурной схемой называется изображение системы управления в виде совокупности типовых и нетиповых динамических звеньев с указанием связей между ними.

7. Датчики автоматики, общие сведения.

Датчиком (измерительным преобразователем) называется элемент автоматики, преобразующий измеряемую физическую величину (перемещение, скорость, ускорение, давление, температуру, деформацию, напряжение и т.п.) в сигнал, обычно электрический, для последующей его передачи, обработки или регистрации в системе автоматизации. Сигнал на выходе измерительного преобразователя (датчика) непосредственно потребителем не воспринимается (в отличие от измерительного прибора). Вследствие того, что наибольшее распространение в настоящее время получили электронные системы автоматизации, большинство измерительных преобразователей преобразовывает неэлектрические физические величины в электрический сигнал.

По отношению к потокам энергии, управляемой датчиком, датчики разделяют на пассивные (генераторные) и активные (параметрические).

Пассивный преобразователь воспринимает физическое воздействие, связанное с передачей энергии какой-либо системы, преобразует это физическое воздействие и передает результат преобразования другой системе. При этом преобразование происходит полностью за счет энергии самого воздействия. Примеры: термопара, солнечная батарея, пьезокерамическая пластина.

В активном преобразователе преобразование физического воздействия в выходную величину производится за счет подвода дополнительной энергии от питающей системы. Фактически, в активном преобразователе физическое воздействие управляет потоком энергии источника питания. Таких датчиков большинство, они обладают, как правило, лучшими характеристиками.

На датчик могут воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, электрические и магнитные поля и т.п.), но воспринимать он должен только одну величину х, называемую естественной измеряемой величиной.

Нормальные условия эксплуатации некоторых типов датчиков совпадают с нормальными условиями эксплуатации элементов автоматики, однако ряд датчиков предназначены для эксплуатации в условиях, когда один или несколько параметров выходят за их пределы (например, у датчика температуры, датчика давления, датчика влажности и т.п.). Изменения условий эксплуатации датчиков от нормальных условий фиксируются в технических паспортах изделий.

При отклонениях условий эксплуатации датчиков от паспортных условий эксплуатации возникают дополнительные погрешности датчика. Они выражаются в процентах, отнесенных к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность 1 % на 5 °С).

8. Контактные датчики.

Контактные датчики —это датчики параметрического типа, у которых изменяется электрическое сопротивление при изменении той или иной механической величины. Они предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. При достижении измеряемой величины определенного значения замыкаются или размыкаются электрические контакты, включенные в те или иные цепи, которые сигнализируют, что перемещение больше или меньше определенной величины.

Контактные датчики широко применяются в системах автоматического контроля и сортировки размеров, а также в системах автоматической сигнализации различных физических величин. Статическая характеристика контактного датчика имеет релейный характер, так как его выходная величина—сопротивление электрической цепи — изменяется скачком.

9. Потенциометрические датчики.

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

10. Угольные датчики.

Для изучения влажности внутриобувного пространства используются угольные датчики, предназначенные для измерения относительной влажности воздуха в малых объемах при условиях окружающей среды, близких к нормальным. Принцип действия их основан на изменении размеров влагочувствительного материала при сорбировании водяного пара из окружающего воздуха и связанного с этим изменением электрического сопротивления датчиков.

11. Тензометрические датчики.

Тензометрические датчики служат для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов. Они могут также использоваться для измерения других механических величин (давления, вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники (в виде проволоки, фольги или пленки) и полупроводники.

12. Простейший индуктивный датчик с плоским подвижным якорем.

Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Простейший индуктивный датчик (называемый однотактным) представляет собой катушку индуктивности 1 с железным сердечником 2 и подвижным якорем З, отделенным от сердечника воздушным зазором (рис. 2-4). Катушка индуктивности с сердечником, называемая статором датчика, закрепляется неподвижно, а якорь соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовывать в электрический сигнал. При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи датчика вследствие изменения воздушного зазора δ между статором и якорем (при вертикальном движении якоря) или площади воздушного зазора S (при горизонтальном движении якоря).

13. Дифференциальный индуктивный датчик.

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены дифференциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Трансформаторный датчик.

Измерительный преобразователь механической величин (перемещения, усилия, угла поворота) в изменение коэффициента трансформации трансформатора или коэффициента взаимной индукции между его первичной и вторичной обмотками. Действие Т. д. основано на зависимости эдс, наводимой во вторичной обмотке трансформатора, от одного из указанных коэффициентов, изменяющихся соответственно изменению воздушного зазора в магнитопроводе трансформатора, взаимного расположения обмоток и т.п. На рис. (а) показана схема простейшего Т. д., в котором в соответствии с измеряемым перемещением х изменяется зазор в магнитопроводе. При постоянной амплитуде напряжения U1 напряжение U2 зависит от размера зазора, то есть от х. Для улучшения метрологических характеристик Т. д. его вторичную обмотку обычно делят на две идентичные секции (рис., б), включенные встречно (дифференциально). При симметричном расположении подвижной части магнитопровода относительно секций вторичной обмотки суммарное напряжение на них практически равно нулю; при смещении подвижной части оно изменяется соответственно величине смещения. Для дифференциального Т. д. характерны высокая чувствительность, линейность статической характеристики, а следовательно, точность преобразования и измерения. Т. д. позволяют, например, измерять перемещения от 0,01 до 20 мм и более.

15. Датчик э. д. с. Холла.

Датчиком Холла называют устройство, с помощью которого измеряют величину магнитного поля используя эффект Холла. Датчик Холла состоит из полупроводниковой прямоугольной пластинки, к которой присоединены четыре электрических вывода.

Эффект Холла и физические основы работы датчика Холла. Если вдоль образца пропустить электрический ток I, а перпендикулярно плоскости пластинки создать магнитное поле B, то на боковых плоскостях пластинки в направлении CD возникнет электрическое поле, которое называют полем Холла. На практике, как правило, поле Холла характеризуют разностью потенциалов, которую измеряют между симметричными точками С и D на боковой поверхности образца. Эта разность потенциалов называется Холловской разностью потенциалов Uхол или ЭДС Холла εхол.

В классической теории проводимости эффект Холла объясняется тем, что в магнитном поле на движущиеся электрические заряды действует сила Лоренца, величина и направление которой определяются векторным уравнением:

F = e [VB]

где B - вектор индукции магнитного поля,

V - вектор скорости движения зарядов,

е - заряд носителей тока с учетом знака .

16. Магнитоуправляемые контакты (герконы).

Одним из самых ненадежных элементов обычного электромагнитного реле являются силовые контакты. Они наиболее часто подвержены коррозии и разрушению при коммутационных процессах. Также у них довольно большое время срабатывания, обусловлено это довольно таки большой массой якоря, а также сравнительно длительным процессом нарастания тока в катушке.

Перечисленные выше недостатки почти полностью устранены в магнитных контактах. Они впаиваются в стеклянную колбу, которая заполняется азотом или инертным газом (они изолированы от воздействий окружающей среды, то есть герметизированы). Поэтому магнитоуправляемые контакты довольно часто носят название герконов, что расшифровуется как герметические контакты. По своему назначению, как и обычные реле, они подразделяются на многоконтактные, замыкающие, переключающие и так далее.

17. Датчики магнитосопротивления.

Датчики магнитосопротивления также вначале использовались для измерения магнитных полей, но затем были вытеснены более совершенными датчиками Холла на новых полупроводниковых материалах. Однако датчики магнитосопротивления по устройству проще датчиков Холла. Наилучшей формой для датчика магнитосопротивления является диск с одним выводом в центре и другим на окружности. Зависимости относительного изменения сопротивления датчиков магнитосопротивления разной формы от магнитной индукции показаны на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики датчиков магнитосопротивления

Основным достоинством датчика магнитосопротивления является возможность бесконтактного изменения активного сопротивления.

Одним из возможных применений датчиков магнитосопротивления является создание бесконтактных клавишных выключателей. При нажатии на кнопку такого выключателя перемещается магнит и изменяется магнитный поток, воздействующий на датчик магнитосопротивления.

Известны также применения датчиков Холла и магнитосопротивления в системах автоматики в качестве измерителей тока в токоведущих шинах, бесконтактных потенциометров для преобразования механического перемещения (линейного или углового) в пропорциональный электрический сигнал. Удобно применять датчики Холла в автоматических устройствах, контролирующих состояние стальных канатов.

Пока еще датчики Холла и датчики магнитосопротивления сравнительно мало применяются в системах промышленной автоматики. Но бурное развитие полупроводниковой технологии ведет к расширению их применения.Следует отметить, что в последнее время к таким датчикам прибавились еще и близкие по принципу действия магнитодиодные и гальваномагнитно-рекомбинационные преобразователи.

18. Магнитоупругие датчики.

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на эффекте магнитоупругости – физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости материала в зависимости от механических напряжений в нем.

Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров:

· усилий;

· давлений;

· крутящих и изгибающих моментов;

· механических напряжений и т.д.

Конструктивно магнитоупругие датчики представляют магнитопровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника

19. Емкостные датчики.

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области применения емкостных датчиков

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

· сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

· контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

· сигнализация обрыва обмоточного провода;

· регулирование натяжения ленты;

· поштучный счет любого вида и др.

20. Автоматический регулятор.

устройство (или комплекс устройств) в системе автоматического регулирования, которое вырабатывает воздействия на объект в соответствии с требуемым законом регулирования. В промышленности, энергетике, на транспорте используют автоматические регуляторы давления, температуры, электрического напряжения, скорости и др.

21. Пропорциональный регулятор (П)

П-регулятор, пропорциональный регулятор

Передаточная функция П-регулятора: Wп(s) = K1. Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка Е, тем больше управляющее воздействие Y).

22. Интегральный регулятор (И).

И-регулятор, интегрирующий регулятор

Передаточная функция И-регулятора: Wи(s) = К0/s. Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки.

23. Пропорционально-интегральные регуляторы (ПИ).

Этот регулятор объединяет в себе пропорциональный и интегральный регуляторы и формирует регулирующее воздействие по следующему пропоционально-интегральному закону

, (6)

а значит, сочетает в себе все достоинства пропорционального и интегрального регуляторов. ПИ-регулятор обладает достаточно высоким быстродействием за счёт пропорциональной составляющей и регулирует в большинстве случаев без статической ошибки за счёт интегральной составляющей. Он является самым распространённым промышленным регулятором.

У ПИ-регулятора уже два настроечных параметра S₁ - настройка пропорциональной составляющей и S₀ - настройка интегральной составляющей, поэтому определение оптимальных настроечных параметров такого регулятора, которые обеспечивали бы и устойчивость при регулировании, и желаемые показатели качества регулирования, значительно сложнее, чем определение настроечных параметров пропорционального или интегрального регуляторов.

24. Изодромные регуляторы с предварением (ПИД).

ИЗОДРОМ (от изо... и греч. dromos - бег) - механич., гидравлич., пневматич. или электрич. устройство, обеспечивающее гибкую обратную связь (с коэфф. обратной связи, меняющимся во времени) в автоматич. регуляторах. И. действует лишь в течение переходного процесса. Представляет собой, напр., механизм, состоящий из катаракта, пружины и системы рычагов, или дифференцирующую цепь, включённую в цепь обратной связи.

ИЗОДРОМНЫЙ РЕГУЛЯТОР автоматич. регулятор с гибкой обратной связью (см. Изодром). К И. р. относят, напр., механич. регулятор частоты вращения (см. рис.), гидравлич. регулятор уровня жидкости, пневматич. регулятор темп-ры, электрич. регулятор напряжения генератора перем. тока. Наличие в регуляторе гибкой обратной связи позволяет существенно повысить качество регулирования (по сравнению с регуляторами без иэодрома).

25. Релейные регуляторы.

регулятор, изменяющий скачком управляющее воздействие на систему при прохождении регулируемойвеличины через пороговые (фиксированные) значения (см. рис.). Скачкообразное изменение управляющеговоздействия осуществляется релейным элементом, к-рый может иметь неск. устойчивых состояний (напр., два: "включено - выключено"). Р. р. позволяют простыми средствами коммутировать большие мощности.

26. Простейшее динамическое звено.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 368; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!