close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Lyashenko

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
А. Л. Ляшенко
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
УДК 681.5
ББК 32.965-01
Л99
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Д. А. Ковалев
кандидат технических наук, доцент М. В. Бураков
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Ляшенко, А. Л.
Л99 Приборы контроля и диагностики технологических процессов: учеб. пособие / А. Л. Ляшенко. СПб.: ГУАП, 2016. – 76 с.
ISBN 978-5-8088-1305-2
Содержится основной теоретический материал по дисциплине
«Физические методы получения информации», подробно рассмотрено
устройство и принцип действия технических средств, предназначенных для измерения параметров технологических процессов.
Предназначено для студентов направления 27.03.04 – «Управление в технических системах».
Учебное издание
УДК 681.5
ББК 32.965-01
Ляшенко Александр Леонидович
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Редактор В. П. Зуева
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 22.06.18. Подписано к печати 12.10.08.
Формат 60 × 84 1/16. Усл. печ. л. 4,4. Уч.-изд. л. 4,8.
Тираж 50 экз. Заказ № 436.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
ISBN 978-5-8088-1305-2
©
©
Ляшенко А. Л. , 2018
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
Предисловие
Повышение технико-экономических показателей автоматизированных систем управления технологическими процессами, таких,
как качество процессов управления, надежность, безопасность эксплуатации и ремонтопригодность, снижение затрат на проектирование, монтаж и пуск, улучшение условий работы оператора зависят от используемых технических средств. Сочетание технологий
и производств с автоматизацией управления на основе современных
комплекса технических средств и программируемых контроллеров
является одним из главных направлений работы промышленных
предприятий. Комплекс технических средств представляет собой
сложную взаимосвязанную систему аппаратных и аппаратно-программных средств, состоящую из множества взаимосвязанных
и взаимодействующих подсистем, выполняющих самостоятельные
и общесистемные функции и имеющих собственные и общие цели.
Одной из таких подсистем является подсистема контроля, основным
назначением которой является сбор информации о параметрах технологического процесса, обработка собранной информации, ее передача и предоставление оперативному персоналу на производстве.
Пособие посвящено изучению приборов, с помощью которых осуществляется сбор информации о параметрах технологического процесса, а также подробно рассмотрен их принцип действия и физические принципы, на основе которых они функционируют.
Материал учебного пособия соответствует программе дисциплины «Физические принципы получения информации» и предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Управление в технических системах».
3
1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Основные термины и определения технических измерений
1.1.1. Этапы развития технических средств автоматизации
Развитие технических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат экономические интересы
и технические потребности автоматизируемых производств, с одной стороны, и те же интересы и технологические возможности производителей технических средств автоматизации – с другой. Первичным стимулом развития является повышение экономической
эффективности работы предприятий, благодаря внедрению новых,
более совершенных технических средств автоматизации.
В развитии экономических и технических предпосылок внедрения и использования автоматизации технологических процессов
(ТП) можно выделить следующие этапы:
1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой
рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная
мощность агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое
участие человека в управлении ТП, то есть наблюдение за объектом
управления, а также принятие и исполнение управляющих решений, на данном этапе было экономически оправданным. Механизации и автоматизации подлежали только те отдельные процессы
и операции, управление которыми человек не мог осуществлять достаточно надежно по своим психофизиологическим данным, то есть
технологические операции, требовавшие больших мускульных усилий, быстроты реакции, повышенного внимания и др.
2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации
производства произошел благодаря росту производительности труда, укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию материальной и научно-технической базы автоматизации.
На этом этапе при управлении ТП человек-оператор все более занимается умственным трудом, выполняя разнообразные логические
операции при пусках и остановах объектов, особенно при возникновении всевозможных непредвиденных обстоятельств, предаварийных и аварийных ситуациях, а также оценивает состояние объекта,
контролирует и резервирует работу автоматических систем. На данном этапе формируются основы крупносерийного производства технических средств автоматизации, ориентированного на широкое
применение стандартизации, специализации и кооперации. Широкие масштабы производства средств автоматизации и специфика их
4
изготовления приводят к постепенному выделению этого производства в самостоятельную отрасль.
3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ)
начинается переход к этапу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), совпавший с началом
научно–технической революции. На данном этапе становится возможной и экономически целесообразной автоматизация все более
сложных функций управления, осуществляемая с использованием
УВМ. Но поскольку УВМ тогда были весьма громоздкими и дорогими, то для реализации более простых функций управления достаточно широко применялись и традиционные аналоговые устройства
автоматики. Недостатком таких систем была их невысокая надежность, так как вся информация о ходе ТП поступает и обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции должен был
взять на себя оператор–технолог, контролирующий работу АСУТП.
Естественно, что в таких случаях качество управления ТП значительно снижалось, так как человек не мог осуществлять управление столь же эффективно как УВМ.
4. Появление относительно недорогих и компактных микропроцессорных устройств позволило отказаться от централизованных
систем управления ТП, заменив их распределенными системами,
в которых сбор и обработка информации о выполнении отдельных
взаимосвязанных операций ТП, а также принятие управленческих
решений осуществляется автономно, локальными микропроцессорными устройствами, получившими название микроконтроллеров.
Поэтому надежность распределенных систем значительно выше,
чем централизованных.
5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую
корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга
компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ финансовых, материальных и энергетических потоков при производстве предприятием продукции, а также управление ТП, способствовало переходу к интегрированным системам управления.
В этих системах с помощью весьма сложного программного обеспечения совместно решается весь комплекс задач по управлению деятельностью предприятия, включая задачи учета, планирования,
управления ТП и др.
6. Повышение быстродействия и других ресурсов микропроцессоров, используемых для управления ТП, позволяет в настоящее
время говорить о переходе к этапу создания интеллектуальных
систем управления, способных принимать эффективные решения
5
по управлению предприятием в условиях информационной неопределенности, то есть нехватке необходимой информации о факторах,
влияющих на его прибыль.
1.1.2. Методы стандартизации
и структура технических средств автоматизации
Экономика отрасли, производящей средства автоматизации требует достаточно узкой специализации предприятий, выпускающих
крупные серии однотипных устройств. В то же время с развитием
автоматизации, с появлением новых, все более сложных объектов
управления и увеличением объема автоматизируемых функций возрастают требования к функциональному разнообразию устройств
автоматизации и к разнообразию их технических характеристик
и конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения
функционального и конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи методов стандартизации.
Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные
исследования практики автоматизации, типизация имеющихся
решений и научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия
применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их
практической проверки оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере
применения решения могут оформляться и в виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную
применимость стандартов предприятий (СТП).
Агрегатирование – принцип формирования состава серийно изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей при
ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции.
Агрегатирование базируется на том, что сложные функции управления можно разложить на простейшие составляющие (также, как,
например, сложные вычислительные алгоритмы можно представить
в виде совокупности отдельных простейших операторов).
Таким образом, агрегатирование основывается на разложении
общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций,
повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных
системах управления. При анализе большого количества подобных
систем управления можно выделить ограниченный набор простейших функциональных операторов, на комбинации которых строит6
ся практически любой вариант АСУТП. В результате формируется
состав серийно изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и механизмы.
Блок – конструктивное сборное устройство, выполняющее одну
или несколько функциональных операций по преобразованию информации.
Модуль – унифицированный узел, выполняющий элементарную
типовую операцию в составе блока или прибора.
В России производство средств контроля и автоматизации промышленного назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации промышленного
назначения (или сокращенно ГСП); ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов – носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к их
параметрам и особенностям конструктивного исполнения.
Унификация средств автоматизации. Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно
изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик,
принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей
исполнения средств автоматизации.
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут
различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме
представления информации. В рамках ГСП в серийном производстве
средств автоматизации применяются следующие типы сигналов:
– электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
– пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
– гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая,
пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является электрическая. В то же время широко используются и пневматические средства.
Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой
скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов.
По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.
7
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями
какого–либо физического параметра – носителя (например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой
сигнал существует практически в каждый данный момент времени
и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации
только в дискретные моменты времени, то есть наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде
последовательности импульсов одинаковой продолжительности,
но различной амплитуды (амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности
(широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда
значения физического параметра – носителя информации могут
изменяться со временем. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
сигнала используется, если физический параметр – носитель информации может принимать лишь некоторое постоянное значение.
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность
импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При
этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, то есть кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.
В соответствии с формой представления информации средства
ГСП подразделяются на аналоговые и дискретно-цифровые.
1.2. Погрешности прибора и погрешность измерения прибором
1.2.1. Измерительные устройства ГСП. Сигналы и параметры
Измерительные устройства и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение измерительной информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции.
Все измеряемые и управляемые величины ГСП делят на 5 групп:
теплоэнергетические, электроэнергетические, механические, физические свойства и химический состав. Каждый измеряемый параметр (их больше 30) имеет свое обозначение: I –сила тока; T – температура; K – число оборотов; Q – расход и т. д.
К устройствам получения информации относят: датчики, измерительные и нормирующие преобразователи и кодеры. Мы также
8
рассматриваем и АЦП/ЦАП, так как они часто вместе с указанными элементами составляют единый прибор.
Датчики: подразделяются также на аналоговые, бинарные дискретные и цифровые датчики, выдающие последовательность импульсов или двоичное слово в некотором коде.
Носителем информации может быть один из параметров сигнала:
амплитуда, частота, фаза, временные, пространственные соотношения.
Цифровые бинарные датчики имеют два состояния, каждому из
которых соответствует свой уровень сигнала, который должен быть
преобразован к стандартным значениям «лог. 0» или «лог. 1» для
передачи и дальнейшей обработки.
Кодовые датчики (единица измерения – байт) – выдают цифровой сигнал в одной из систем кодирования: код 2/10 (BCD), код 1248,
код Грея, код ASCII, код EBCD1C.
Для преобразования естественного выходного сигнала в унифицированный сигнал в ГСП используются нормирующие преобразователи. Значение нормирования параметров входных и выходных сигналов
в ГСП удобно пояснить на примере. Очень широкое распространение
получил унифицированный сигнал постоянного тока с диапазоном значений от 0 до 5 мА. Если в данном агрегатном комплексе технических
средств принят такой сигнал, то это означает, что независимо от вида
измеряемого параметра Х и диапазона его значений (Xmin, ... , Xmax) ему
соответствует на выходе нормализующего преобразователя диапазон
сигналов постоянного тока от 0 до 5 мА. При этом сигнал не должен изменяться с изменением сопротивления нагрузки на выходе нормализующего преобразователя в диапазоне от 0 до 2,5 кОм.
Установив на выходе преобразователя резистор, например с сопротивлением 1кОм, можно привести сигнал к общему диапазону
от 0 до 5 В и именно на этот диапазон спроектировать АЦП. Нормализующие преобразователи с выходным сигналом в виде унифицированного тока можно размещать довольно далеко от АЦП – на
расстоянии до нескольких километров. В этом случае значение сопротивления подводящих проводов не скажется на точности измерения. Лишь при больших расстояниях (свыше 10 км) начинают
влиять токи утечки между проводами линии.
1.2.2. Основные параметры датчиков
Датчик – конструктивно законченный элемент, состоящий из
чувствительного элемента и измерительных преобразователей (ИП).
С введением унифицированных сигналов в практику приборостроения вошло производство датчиков с унифицированным выходным
9
сигналом. В данном случае датчиком называют объединенные в одном
блоке первичный измерительный преобразователь и нормализующий
преобразователь. ИП служат для преобразования естественного сигнала чувствительного элемента (первичный преобразователь) в форму,
удобную для передачи или обработки. Современные датчики содержат
узлы, выполняющие линеаризацию, корректировку и другую обработку сигнала. Основные характеристики датчика: входной параметр,
выходной сигнал, статическая характеристика, динамическая характеристика и погрешности, конструктивные характеристики.
Статическая характеристика датчика. Статическая характеристика
датчика (вход–выход) отражает функциональную зависимость выходного сигнала от входного параметра в установившемся режиме. Статическая характеристика задается: аналитически, графически, таблично.
По этой характеристике определяются такие параметры датчика, как чувствительность (коэффициент преобразования), порог
чувствительности, порог разрешения, линейность, величина дрейфа; рабочий диапазон, динамический диапазон, параметры гистерезиса и т. д. Для некоторых типов датчиков установлены номинальные статические характеристики (НСХ) и установлены классы
точности в соответствии с процентом отклонений от НСХ.
1. Коэффициент преобразования или коэффициент передачи – это
отношение выходной величины элемента Yк к входной величине Xк
или отношение приращения выходной величины (ΔY = Y2 – Y1, dy)
к приращению входной величины (ΔХ = X2 – X1, dx):
Cтатический коэффициент преобразования (k, k′) k = Y/X, k′ = ΔY/ΔX.
Значение динамического коэффициента преобразования Кд зависит от выбора рабочей точки k′ = dy/dx.
2. Порогом чувствительности называется минимальная величина на входе элемента, которая вызывает изменение выходной величины. При изменении входной величины X от 0 до порога выходная величина Y не изменяется и равна 0.
3. Линейность. Статические характеристики датчика на рабочем участке (в окрестностях точки А) должны быть линейными, отклонение измеряется в %.
4. Дрейф – это смещение характеристики при изменении внешних условий по отношению к стандартным.
5. Диапазон измерений – область значений измеряемого сигнала,
для которого нормированы измеряемые погрешности. Эта область
ограничена пределами измерений наибольшими и наименьшими
значениями диапазона измерений. D = Xкз .. Xп, где Xкз – конечное
значение шкалы приборов; Xп – порог чувствительности приборов.
10
Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов.
Динамический диапазон используют, если диапазон очень велик.
6. Характеристики многих датчиков имеют гистерезис: сигнал
датчика при прямом и обратном ходе отличается, основной показатель гистерезиса – ширина петли.
7. Реле называется элемент автоматики, в котором при достижении входной величины X определенного значения, выходная величина изменяется скачком. Зависимость Y = f(X) является вариантом гистерезиса и имеет форму петли.
Динамическая характеристика датчика. Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика в переходных режимах. Динамические характеристики определяют зависимость выходного сигнала
датчика от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних факторов, нагрузки. В зависимости от полноты описания
динамических свойств средств измерений различают полные и частные
динамические характеристики. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную
функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств датчика. Примерами таких характеристик
являются время реакции датчика, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудночастотной характеристики на резонансной частоте, запаздывание, время
нарастания, время установления, время первого максимума, статическая
ошибка, полоса пропускания, постоянная времени.
Для датчиков и измерительных преобразователей время реакции – время установления выходного сигнала, определяемое при
скачкообразном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала. Динамические свойства
средств измерений определяют динамическую погрешность.
1.2.3. Погрешности
При работе датчика выходная величина Y отклоняется от необходимого значения за счет внутренних или внешних факторов (износ,
старение, колебания напряжения питания, температура и т. д.). Отклонение характеристики называется погрешностью. Погрешности
делятся: на основные и дополнительные.
Основная погрешность – максимальная разность между выходным сигналом датчика и его номинальным значением при нормальных условиях эксплуатации.
11
Дополнительные погрешности – вызываются изменением внешних условий по отношению к норме, нормированные по основному
фактору. Выражаются в процентах к изменению вызвавшего фактора. Например: 1% на 5°С.
Основная погрешность может быть абсолютной, относительной
и приведенной.
а. Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность
между действительным значением выходной величины Y′ и его номинальным значением – Y: ΔY = Y′ – Y.
б. Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ΔY к номинальному (желаемому) значению
выходной величины Y (обычно выражается в %): δγ = ΔY/Y∙100%.
в. Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению: для преобразователей – это наибольшее значение выходной величины, для приборов –
максимальное значение шкалы. Величина этой погрешности определяет класс точности прибора 0,1; 0,5; 1,0 и т. д.
Погрешности средств измерений могут иметь систематические
и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят
к неоднозначности состояний. Поэтому случайные составляющие
погрешности средств измерений стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими.
Систематические погрешности измерения – это составляющие
погрешности, которые остаются постоянными и закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины.
К постоянным систематическим погрешностям относят погрешность градуировки шкалы, температурную погрешность и т.д. К переменным систематическим погрешностям относят погрешность,
обусловленную нестабильностью источника питания. Систематические погрешности исключают путем калибровки или введения
поправок (смещения).
Случайные погрешности измерений – это составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Значение и знак
случайной погрешности определить невозможно, так как случайные погрешности обязаны своим происхождением причинам, действия которых не одинаково в каждом эксперименте и не может
быть учтено.
Обнаруживаются случайные погрешности при многократных
измерениях одной и той же величины, следовательно, их влияние
на результат измерений учитывается методами математической
статистики и теории вероятности.
12
2. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
2.1. Преобразователи перемещения
Преобразователи перемещения (ПП) – предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал.
Существует большое разнообразие типов преобразователя перемещений по принципу действий, то есть по использованным физическим эффектам или явлениям: индуктивные, трансформаторные,
электромашинные (сельсин, индуксин), ультразвуковые, оптические, волоконно-оптические, лазерные и т. д.
2.1.1. Классификация измерительных преобразователей
Измерительные преобразователи можно делить на группы по различным классификационным признакам.
1. По виду выходных сигналов (ГОСТ, ГСП).
2. В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины датчики делятся на группы:
а) датчики механических величин;
б) датчики тепловых величин;
в) датчики оптических величин и т. д.
Преобразование осуществляется по схеме: измеряемая величина –
механическое перемещение – электрическая величина.
3. По физическому явлению, на котором основана работа чувствительного элемента. В зависимости от принципа преобразования датчики делятся на две группы:
а) параметрические или пассивные датчики, в которых изменение контролируемой величины Х сопровождается изменением сопротивления датчика (активного, индуктивного, емкостного); при
этом наличие постороннего источника энергии является обязательным условием работы параметрического датчика;
б) генераторные или активные датчики, в которых изменение контролируемой величины Х сопровождается изменением ЭДС на выходе
датчика, возникновение ЭДС может происходить за счет термоэлектричества, пьезоэффекта и т. д. (табл. 1).
Генераторные датчики не требуют дополнительного источника
энергии, поэтому мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала.
Датчики осуществляют первичное преобразование физико-химической величины, как правило, в какой-либо электрический па13
Таблица 1
Классификация датчиков
Параметрические
Генераторные
Потенциометрические
Тензорезистивные
Индуктивные
Емкостные
Фотоэлектрические
Кодовые
Термоэлектронные
Пьезоэлектрические
Индукционные
Трансформаторные
Фотоэлектрические
Радиационные
раметр: напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность.
Поэтому датчики еще называют первичными преобразователями.
Дальнейшее измерение электрических параметров осуществляется
хорошо известными стандартными методами.
2.1.2. Резистивные измерительные преобразователи
Потенциометрические ИП преобразуют механические перемещения в изменения сопротивления реостата. По назначению датчики
бывают линейных и угловых перемещений. Потенциометрический
датчик представляет собой реостат, включенный по схеме потенциометра. При перемещении подвижного контакта под воздействием
контролируемой величины Х происходит изменение сопротивления
датчика. В зависимости от закона изменения сопротивления различают линейные и функциональные потенциометры, а в зависимости от схемы включения полярные и реверсивные (рис. 2.1).
Выведем основные соотношения для линейного потенциометра.
Введем обозначения R0 – полное сопротивление потенциометра;
Rx – сопротивление при заданном положении движка; Rн – сопро-
Рис. 2.1. Потенциометрические датчики
14
тивление нагрузки; тогда для перемещения движка Х , для коэффициента нагрузки α, имеем:
õ = Rx R 0 , α =Rx R í .
Напряжение на выходе потенциометра (Ud) определится по формуле
Rí Rx
U0
Rí Rx
Rí + Rx
x
;
Ud I=
=
= U
2
Rí Rx
Rí + Rx
1
+
α
x
−
α
x
R
−
R
+
(
x)
Rí + Rx
f ( α, x ) =
Ud
x
=
.
UÎ 1 + αx − αx2
Если Rн >> R0, то α → 0, при этом током в нагрузке можно пренебречь и I = f(x) становится линейной.
Если Rн >> R0 не соблюдается, то необходимо либо учитывать
погрешность, вызванную нелинейностью характеристики, либо рабочий участок необходимо ограничить. Погрешность от несогласованности сопротивлений потенциометра и нагрузки растет при увеличении коэффициента нагрузки, причем при малых перемещениях движка она незначительна. У проволочного потенциометра есть
ошибка из-за ступенчатости его характеристики.
Наибольшее значение погрешность линейного потенциометра имеет при нахождении движка в среднем положении, то есть при X = L/2.
δmax = R ( R + 4Rí ) = α ( α + 4 ).
Передаточная функция потенциометрического датчика на низких и на высоких частотах:
Wïîñò = K;
Wïåðåì ( LR ) =
K
.
Tp + 1
Достоинства потенциометрических датчиков: простота конструкции, возможность получения достаточно прямолинейной характеристики, стабильность характеристик, значительная величина выходного сигнала.
Недостатки: пониженная надежность, износ, контактное сопротивление, относительно большие перемещения и малая скорость движка, дискретность.
15
2.1.3. Тензорезистивные датчики
Для изменения усилий и деформаций в деталях и конструкциях
различных устройств применяются тензометрические или тензорезистивные датчики. Тензоэффект – изменение активного сопротивления проводников при механической деформации материала. Величина тензоэффекта зависит от ориентации силы и вида материала.
Тензочувствительность КТ – это отношение величины относительного изменения его сопротивления к относительному изменению линейного размера проволоки:
KT =
δR
δρ
= ρ1 + ρ2 =
+ (1 + 2µ ),
δl
δl
где R – сопротивление провода; l – начальная длина деформируемого участка провода; 1 + 2µ – характеризует собой изменение геомеδρ
трических размеров; µ – коэффициент Пуассона; m =
– коэффиδl
циент изменения удельного сопротивления материала с изменением его геометрических размеров.
Типы тензорезистивных датчиков: проволочные, фольговые,
пленочные и полупроводниковые (тензолиты).
Проволочные тензометрические датчики. Проволочные тензодатчики основаны на изменении сопротивления константановой проволоки диаметром 0,01 – 0,05 мм, сложенной в виде петлеобразной
решетки между склеенными полосками тонкой бумаги. Сам датчик
приклеивается к детали, деформацию которой нужно измерить. Изменение сопротивления датчика происходит при растяжении или сжатии, а также при изменении удельного сопротивления проволоки под
влиянием механических напряжений. Для проволочных тензодатчиков выполненных из константановой проволоки µ = 2, R = 2000 Ом; деформация не более 0,3%; база – 5–30 мм; максимальная температура
500 °С. Фольговые тензодатчики изготавливаются из тонких полосок
фольги толщиной 4–12 микрон методом фототравления и могут иметь
произвольную форму решетки Y, например розетку. Рабочий ток 200
мА, сопротивление R 30–250 Ом. У них высокая теплоотдача и высокая восприимчивость к деформации (рис. 2.2).
Достоинства тензодатчиков: простота конструкции, отсутствие
гистерезиса, безынерционность, стабильность.
Недостатки: малая чувствительность, температурная погрешность.
Полупроводниковые тензодатчики представляют собой пластины, различной формы, к которым присоединены металлические
16
Рис. 2.2. Тензорезистивный датчик веса
Рис. 2.3. Проволочный тензометрический датчик
выводы, которые наклеены на поверхность детали. Они выполняются из тензолитных или кристаллических полупроводниковых
материалов.
Достоинства: высокая тензочувствительность, компактность,
малая погрешность (до 0,1%), быстродействие, большой срок службы.
Недостатки: ограниченный температурный диапазон без внешней компенсации, наличие гистерезиса, хрупкость.
Для компенсации нелинейности используют мостовую схему, в которой для термокомпенсации используют в одном из плеч моста параллельный терморезистор с другим ТКС по знаку (рис. 2.3; рис. 2.4).
Область применения тензодатчиков: измерение сосредоточенных сил,
моментов и т. д., измерение давлений, измерение ускорения. Особенно
распространены датчики давления с термокомпенсацией, выполненные по технологии «кремний на сапфире».
2.1.4. Индуктивный преобразователь перемещения
Диапазон измеряемых перемещений индуктивных преобразователей мал: от 0 до 5 мм (для линейных перемещений) или 0–5 угловых минут (для угловых перемещений).
17
Рис. 2.4. Мостовой тензорезистивный датчик
Рис.2.5. Одинарный индуктивный преобразователь
Достоинством индуктивных преобразователей является их высокая надежность, достаточно высокая точность и возможность использования при высоких температурах (до +300°С) (рис. 2.5).
Индуктивные преобразователи бывают одинарные и дифференциальные.
Рассмотрим одинарные преобразователи.
Поток Ф пронизывает обмотку катушки и наводит в ней ЭДС взаимоиндукции EUв = –jωФW = –jωIW2G.
Эту же ЭДС можно рассматривать как ЭДС самоиндукции. Из
курса ТОЭ известно, что ЭДС самоиндукции определяется по формуле ЕUс = –jωLI, где L – индуктивность обмотки.
Учитывая, что ЕUв = ЕUс, приравнивая правые части выражений
для ЕUв и ЕUс, получаем катушки: L = W2G.
Статическая характеристика одинарного индуктивного преобразователя носит нелинейный характер и выглядит следующим образом:
Недостатками одинарных индуктивных преобразователей являются:
1. Нелинейность статической характеристики (линейный участок статической характеристики 0,15 от Xm).
2. Подверженность влиянию внешних магнитных полей.
3. Подверженность колебаниям температуры окружающей среды, которая влияет на геометрические размеры воздушного зазора
и магнитную проницаемость µ0.
18
Рис. 2.6. Дифференциальный индуктивный преобразователь
Вследствие этого одинарные индуктивные преобразователи не применяются, а используются дифференциальные индуктивные преобразователи.
Дифференциальный индуктивный преобразователь. Дифференциальный индуктивный преобразователь представляет собой два,
установленных навстречу друг другу, одинарных преобразователя
с одинарным индуктивным преобразователем (рис. 2.6).
В идеале симметрично установленные системы должны быть
одинаковы.
Достоинствами дифференциального индуктивного преобразователя являются:
1. Больший линейный участок статической характеристики
(0,3/0,4)δ0 = ∆δ, а если учесть, что статическая характеристика дифференциальная, то есть в обе стороны от нуля, то участок составляет (0,6/0,8)δ.
2. При идеальной симметрии магнитной системы влияние магнитных полей на левую и правую части магнитной системы компенсируются. В итоге погрешность равна нулю.
3. Точно также происходит компенсация влияния температур,
и температурная погрешность равна нулю.
Вследствие этих причин применяются только дифференциальные индуктивные преобразователи.
2.2. Контактные методы и средства измерения температуры
Для измерения температуры контактными методами используются следующие датчики:
– металлические термометры сопротивления (ТС);
– термоэлектрические преобразователи (ТП) – термопары;
– полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы;
– полупроводниковые интегральные сенсоры-датчики.
19
2.2.1. Термометры сопротивления
Терморезистивные датчики (термосопротивления) обладают свойством изменять свое электрическое сопротивление при изменении
температуры. Они, применяются для измерения неэлектрических
величин (температуры, скорости, концентрации, плотности вакуума
и т.п.), характеризующих газовую или жидкую среду, в диапазоне
температур от –250 до + 1000 °С. Терморезисторы изготавливаются
из металлов и полупроводников.
1. Металлические термосопротивления являются чувствительными элементами в термометрах сопротивлений. Они изготавливаются из меди, платины, железа, никеля. Сплавы металлов не
применяются, так как при добавлении в чистый металл примеси
нарушается стабильность характеристики, уменьшается температурный коэффициент сопротивления, характеризующий чувствительность терморезистора к изменениям температуры.
Качество терморезистора характеризуется его чувствительностью
к изменению температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления α, представляющим собой относительное изменение сопротивления ∆R/R на единицу приращения температуры ∆t.
Материалы терморезисторов должны иметь большой и постоянный температурный коэффициент сопротивления, большое удельное сопротивление. Их физические и химические свойства должны
быть устойчивы при высоких температурах.
Лучший материал для изготовления металлических терморезисторов –
платина, из которой изготавливают как технические, так и образцовые
и эталонные датчики, пригодные для измерения температур в диапазоне
от –200 до +500 °С. Функция преобразования платинового терморезистора
нелинейная и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом.
Параметры: a 4∙103 K – 1, b = 6∙10 – 7 K – 2. Функция преобразования медного терморезистора линейна и a = 4,3∙10,3 K1.
Медные терморезисторы применяют в диапазоне температур от –50 до
+150°С. Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок по ГОСТ 6651–84 приведены в табл. 2.
Термометры сопротивления приведены на рис. 2.7.
Термометр сопротивления имеет чувствительный элемент в виде
тонкой проволоки (диаметр 0,05 мм), намотанной на каркас (пластину из слюды), помещенный в защитный чехол. Используются
три или четыре провода для компенсации температурных колебаний окружающей среды. Номинальные функции преобразования
(статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651–84.
20
Таблица 2
Параметры терморезисторов
Термометры сопротивления платиновые
Сопротивление при
°С(R0)
10
50
100
Градуировка
Диапазон
измерения, °С
10П
От –200 до +750
50П От –260 до +1000
100П От +260 до +1000
Термометры сопротивления медные
Сопротивление при
°С (R0)
10
50
100
Градуировка
Диапазон
измерения, °С
10М
От –50 до 200
50М
От –50 до 200
100М От –200 до 200
Рис. 2.7. Термометр сопротивления
Железные и никелевые терморезисторы занимают промежуточное место, как более дешевые, чем платина, и более стойкие, чем
медь. Они работают в диапазоне температур от +100 до +150 °С.
Достоинства термометров сопротивления: стабильность, линейность, большой диапазон, дешевизна (медь).
Недостатки: большие габариты, большая инерционность, малая величина R, окисляемость(медь).
2. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы).
Термисторы изготавливаются из смеси окислов различных металлов. Величина электрического сопротивления термистора резко уменьшается при увеличении температуры. Чувствительность
терморезисторов к изменению температуры значительно выше, чем
у металлических. Так при повышении температуры от 0 до +100 °С
сопротивление меди увеличивается всего на 43%, а у термисторов
сопротивление уменьшается в 20–70 раз, в зависимости от величины его температурного коэффициента сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления термистора примерно в 6–10 раз больше, чем у металлических терморезисторов. Некоторые типы термисторов работают в диапазоне температур от –100
21
до +500 °С и выше. Термисторы находят широкое применение для
компенсации температурных погрешностей в измерительных схемах
и в качестве датчиков для измерения различных неэлектрических
величин, влияющих на отвод тепла от терморезистора.
Конструктивно термисторы изготавливаются в виде маленьких стерженьков (длиной 12 мм и диаметром 1,8 мм), шайб, дисков и бусинок.
Достоинства: намного больше ТКС, намного меньше размер
и инерционность, возможность работы в релейном режиме.
Недостатки: более узкий рабочий диапазон, нелинейность,
большой разброс значений.
2.2.4. Термоэлектронный преобразователь (термопара)
В основе работы термопар лежит термоэлектрический эффект,
суть которого заключается в том, что если два проводника из различных металлов (сплавов) соединены в замкнутую цепь, причем
температура одного соединения (спая) заметно отличается от температуры другого спая, то возникает термоЭДС ЕТ, которая зависит от
разницы температур спаев и разницы характеристик проводников.
Если два разных металла соединить концами и поместить места
их спаев в среды с разными температурами, то в контуре из этих
проводников возникает ЭДС (термоЭДС).
Цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой, а ЭДС, возникающая при нагреве спая, называется
термоэлектродвижущей силой. Проводники – это термоэлектроды,
стыки – спай. Спай, температура которого поддерживается постоянной, называется холодным, а спай, соприкасающийся с измеряемой средой, – горячим.
Измерительные приборы на основе термопар обладают высокой
точностью и чувствительностью, хорошей повторяемостью характеристик преобразования (рис. 2.8; рис. 2.9).
Рис. 2.8. Термопары
22
Таблица 3
Термопары
Тип
термопары
Материал термоэлектродов
ТХК
ТХА
ТПП
ТВР
Хромель-копель
Хромель-алюмель
Платинородий (10%) – платина
Вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%)
Диапазон
Обозначение
измерения
градуировки при длительном
измерении, °С
ХК (L)
ХА (К)
ПП (S)
ВР (А)
–200…+600
–200…+1000
0…+1300
0…2200
Наиболее широко используемые термопары (ГОСТ 6616–84) и их
основные характеристики (ГОСТ 3044–84). Маркировка ХА, ХК,
ПП, ПР, ВР; на Западе – А, S, K, N, H приведены в табл. 3.
Чувствительность термопар различна и лежит в диапазоне от
10 мкВ/°C (ПП) до 70 мкВ/°C (ХК). Напряжение до 100 мВ называется малым. Малые напряжения требуют специальных схем подключения усиления и коррекции (не взрывоопасны).
Номинальная функция преобразования термопар со стандартной
градуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет
зависимость ЭДС E(t, t0) термопары от изменяемой температуры t при
температуре свободных спаев t0 = 0°С. Одним из источников погрешности термопары является несоответствие температуры свободных
концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка. Если в условиях измерения температура свободных спаев
не равна температуре t0, то ЭДС термопары E(t, t0) отличаются от ЭДС
E(t, t0), которая нужна для определения температуры по стандартной
градуировке, и необходимо введение поправки.
Погрешность стандартных термопар δ = 0,1 – 0,2%.
Передаточная функция термопары:
W ( p) =
Ke−τp
.
Tp + 1
Зависимость термоЭДС от разности температур спаев ET = f(T1 – T2)
нелинейная, но для малых диапазонов температур и при не очень высоких требованиях к точности измерения ее можно считать линейной, тогда значение термоЭДС можно определить по выражению: ET = ST(T1 – T2).
Здесь ST – чувствительность термопары (коэффициент преобразования); ST измеряется в [мкВ/°С].
23
Рис. 2.9. Электронно-цифровой термометр с термопарой
Для обеспечения однозначной зависимости ET от Т1 необходимо
поддерживать постоянной и известную температуру Т2. Обычно Т2
равно 0°С или 20°С. Зная значение ST и измерив ET, можно определить температуру Т1. Для обеспечения постоянства Т1холодные
спаи помещают в термостат. Если же при изменениях температура
Т2 отличается от 0 °С, то необходимо вводить поправочные коэффициенты.
Для повышения чувствительности термопар, то есть выходного сигнала термопары при одном и том же значении Т, используют
термобатареи, в которых соединяют последовательно друг с другом
термопары.
В соответствии с используемыми материалами существует несколько типов термопар:
хромель-константан (диапазон измеряемых температур ((–270 …
+1000) °С; коэффициент преобразования ST = 62 мкВ/°С);
железо-костантан ((–210…+1000)°С; ST = 51 мкВ/°С);
хромель-амомель ((–200…+1000)°С; ST = 40 мкВ/°С);
платина-платинородий ((–50…+1500)°С; ST = 7 мкВ/°С);
медь-константан ((-270…+400) °С; ST = 40 мкВ/°С).
В России термопары хромель-константан и железо-константан
не выпускаются.
Этот же цифровой термометр можно значительно упростить,
если использовать термометр с усилителем и АЦП.
Достоинства: большой диапазон, стабильность, надежность.
Недостатки: табличная градуировка, слабый сигнал и низкая
чувствительность, большая инерционность, необходимость фиксации температуры холодного спая.
2.2.5. Термисторы
Термисторы – это полупроводниковый термометр сопротивления, имеющий значительно больший, чем обычный ТС, температур24
ный коэффициент сопротивления α = (1…20)1/°С, причем знак этого
коэффициента может быть как положительный (у позисторов), так
и отрицательный (у термисторов). Это обеспечивает более высокую
чувствительность термометров на их основе.
Достоинствами термисторов и позисторов являются:
– малые габариты и масса, следовательно, теплоемкость и тепловая инерционность;
– простота конструкции, надежность;
– низкая цена.
Недостатками являются:
– узкий диапазон измеряемых температур (–50…+150) °С;
– значительная нелинейность преобразования (с повышением
температуры сопротивление повышается по экспоненте);
– плохая повторяемость характеристик преобразования от образца к образцу, вследствие чего, необходима их индивидуальная
градуировка;
– значительная временная нестабильность характеристик, особенно при работе на высоких температурах.
Интегральные полупроводниковые датчики. Они обеспечивают
получение выходного сигнала (U или I), практически линейно-зависящего от температуры.
Интегральные датчики имеют вид (рис. 2.10).
Напряжение через усилитель подается на цифровой вольтметр
или аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий это
напряжение в цифровой код.
Чувствительность прибора составляет 10 мВ/°С.
Контактные методы измерения температуры позволяют конструировать электронно-цифровые термометры для измерения широкого диапазона температур от –200 до +2000 °С.
Рис. 2.10. Интегральные датчики
25
Погрешность зависит не только от качества первичных измерительных преобразователей (датчиков), но и от организации линий
связей датчик-измеритель и от характеристик вторичных преобразователей (усилителей, АЦП).
Погрешность составляет ±(0,2…1)%, а иногда ±(0,01…0,1)%. Чувствительность порядков долей °С.
Таким образом, контактные методы и средства являются более
точными по сравнению с бесконтактными.
2.3. Бесконтактные методы
и средства измерения температуры
Считается, что контактные средства измерения температуры
(термометры, термопары) точнее, но на практике много случаев,
когда они неприменимы, тогда используются бесконтактные методы измерения температуры. Например, измерение температуры
металлургических процессов, измерение температуры в электрических контактах выключателей в электроэнергетике, в линиях электропередачи, в медицине, измерение температуры в буксах.
Бесконтактные методы измерения температуры основаны на использовании законов теплового излучения. Существуют два основных средства дистанционного измерения температуры:
1) оптические пирометры, которые измеряют температуру точки
по его тепловому излучению;
2) тепловизоры, которые являются, по сути, измерительными
приборами и измеряют температуру объекта на основании расшифровки термограмм-картин распределения температуры по поверхности объекта или тела.
2.3.1. Тепловизоры
Сейчас существуют тепловизоры, которые позволяют получать
термограммы объектов как фотографическое изображение на экране приборов. Эти приборы очень дорогие. Цена грамма их массы
превышает цену 1 грамма золота.
Тепловизоры и приборы ночного видения основаны на законах
теплового излучения и принцип действия их аналогичен.
Действие бесконтактных измерителей температуры основано на
использовании законов теплового излучения. Известно, что любое
тело при температуре Т выше 0 К, то есть выше температуры абсолютного нуля (-273°С), имеет тепловое излучение. Это означает, что
вследствие тепловых колебаний атомов и молекул тело испускает
энергию теплового излучения. Причем с ростом температуры эта
26
Рис. 2.11. Тепловизор
Рис. 2.12. Пример термограммы
энергия возрастает. В основе теплового излучения тел лежат законы
теплового излучения.
Энергия теплового излучения, испускающаяся абсолютно черным телом при температуре, выражается формулой Планка.
По мере повышения температуры энергия излучения увеличивается, а длина волны λм (максимальная), при которой излучение
максимальное, уменьшается. Суммарная энергия излучения (Вт×м2)
определяется путем интегрирования выражения по формуле Планка
по всем длинам волн.
2.3.2. Пирометры
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего
собой электромагнитные волны различной длины. Термометры,
действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных
27
устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные
методы получили название бесконтактных. Спектр нагретого тела
имеет выраженный максимум, где λmax подчиняется закону Стефана-Больцмана.
Различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность абсолютно черного тела (АЧТ)
равна полной энергии излучения данного тела при действительной
температуре Тд.
Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ
равна плотности потока спектрального излучения реального тела
для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.
Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ
для двух длин волн λ1 и λ2 равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной
температуре Тд.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
– пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная
энергия излучения;
– пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия
в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
– пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.
Рис. 2.13. Яркостный оптический пирометр
28
Пирометры частичного излучения. К данному типу пирометров,
измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
Принцип действия оптического пирометра с «исчезающей» нитью
основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.
Изображения излучателя линзой и диафрагмой объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы. Оператор через диафрагму и линзу окуляра и красный светофильтр на
фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если
яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит
черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости
излучателя и нити последняя «исчезает» из поля зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур
объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется
с помощью батареи. Прибор, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях
зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что
позволяет производить считывание результата в °С.
Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700
до 8000 °С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200–2000°С основная допустимая
погрешность измерения составляет ±20°С. На точность измерения
влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени
черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет
ослабления в промежуточной среде, а также за счет отражения посторонних лучей.
Пирометры спектрального отношения измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух
определенных участках спектра, каждый из которых характеризуется эффективной длиной волны. Пирометры спектрального отношения используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 °С
и имеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от предела измерения).
Данные пирометры имеют в 3–5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их
показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной
29
среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть
выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более
сложны и менее надежны, чем другие приборы.
Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале
длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах
используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители. Эти пирометры содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта. В фотоэлектрических
пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100 °С применяют
кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800–
4000°С – вакуумный сурьмяно-цезиевый.
Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип
действия данных измерителей температуры основан на использовании
закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических
систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно
меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0,4–
2,5, а для плавленого кварца 0,4–4 мкм.
Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике
излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п.
Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения
и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термоЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при
температуре корпуса 20±2 °С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных
погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 °С дополнительная
погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 °С.
30
Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур, начиная с 100 °С,
кварцевое стекло используется для температуры 400–1500 °С, а оптическое стекло для температур 950 °С и выше.
Пирометры суммарного излучения измеряют температуру от
100 до 3500°С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000 °С составляет соответственно ±12; ±20 и ±35 °С.
2.4. Емкостные датчики
Емкостные датчики относятся к датчикам параметрического
типа, в которых изменение контролируемой величины вызывает изменение емкостного сопротивления датчика. Емкость конденсатора
зависит от формы и геометрических размеров электродов, от диэлектрической проницаемости и от расстояния между обкладками.
В различных датчиках может меняться один из указанных параметров. При помощи емкостных датчиков измеряют геометрические
размеры изделий, влажность изоляционных материалов и определяют состав изоляционного материала. Они получили распространение также в телемеханике – для преобразования механического
перемещения в изменение электрической емкости конденсатора.
Чаще всего емкостный датчик представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух или более пластин, между которыми
помещается диэлектрик.
Каждую из величин можно принять за входную (остальные параметры остаются постоянными) и получить соответствующий тип
датчика с переменной емкостью на выходе.
Достоинства емкостных датчиков: высокая чувствительность,
малый вес и габариты, простота конструкции.
Недостатки: необходимость усиления снимаемого сигнала, необходимость тщательной экранировки датчика, применение высокочастотного источника.
Применение емкостных датчиков:
1) измерение малых перемещений;
2) контроль угловых перемещений;
3) передача показаний стрелочных измерительных приборов;
4) использование в качестве топливомеров;
5) измерение толщины материалов;
6) измерение уровней жидкостей;
31
Рис. 2.14. Датчик
угловых перемещений
Рис. 2.15. Датчик для измерения
уровня жидкости
7) измерение скоростей;
8) измерение давлений.
Датчик угловых перемещений применяется для преобразования
угловых перемещений в изменение емкости. Рабочая площадь зависит от угла поворота α подвижной пластины. Для увеличения емкости применяется несколько пластин (рис. 2.14).
Датчик для измерения уровня жидкости используются в качестве
емкостного топливомера, с помощью которого можно измерить уровни
токопроводящих жидкостей (керосина, бензола, масла и др.), причем
датчиком топливомера может служить цилиндрический или плоский
конденсатор, помещаемый внутрь топливного бака (рис. 2.15).
2.5. Индуктивные датчики
2.5.1. Индуктивный датчик на дросселе
Индуктивные датчики относятся к классу параметрических.
Индуктивные датчики основаны на изменении индуктивного сопротивления электромагнитного дросселя при перемещении одной
из подвижных частей (обычно якоря). Их применяют для измерения малых угловых и линейных перемещений.
Индуктивные датчики (рис. 2.16) представляют собой дроссель
с переменным воздушным зазором между якорем и сердечником,
на котором расположена обмотка, включенная последовательно
с нагрузкой Rн. Такой датчик имеет высокую чувствительность
32
Рис. 2.16. Индуктивные датчики для измерения перемещения
и реагирует на изменение зазора δ в диапазоне 0,1–0,5 мкм. При измерении больших перемещений используют датчики с переменной
площадью зазора или разомкнутой магнитной цепью.
Достоинства: Простота и прочность конструкций, надежность
в работе (так как отсутствуют скользящие контакты), возможность
подключения к источникам промышленной частоты, относительно
большая величина мощности на выходе преобразователя (несколько десятков ватт), поэтому можно подключать контрольный прибор
непосредственно к преобразователю.
Недостатки: Ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения; возможность работы только на относительно
низких частотах до 3000–5000 Гц, так как на высоких резко растут потери в стали на перемагничивание и вихревые токи; необходимо устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, начальный
ток I; значительная нелинейность; есть напряжение холостого хода.
2.5.2. Дифференциальные индуктивные датчики
Дифференциальные индуктивные датчики предназначены для
преобразования линейных перемещений в пропорциональный электрический сигнал. Преобразователь линейных перемещений применяется в приборах линейно-угловых измерений.
Дифференциальные индуктивные датчики (ДИД) представляют
собой совокупность двух нереверсивных датчиков. Выполняются
в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками (рис. 2.17).
При использовании фазочувствительных выпрямительных схем
можно получить реверсивную характеристику с нулевой отметкой
посередине шкалы. При симметричном положении якоря в обмот33
Рис. 2.17. Дифференциальный индуктивный датчик
ках воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления
одинаковы, значит, и величины токов в катушке одинаковы I1= I2.
В итоге результирующий ток Iрез = 0, разностный магнитный поток
не создается, в измерительной обмотке ЭДС не индуктируется.
При смещении якоря от нейтрального положения магнитное сопротивление от одной из обмоток, например, увеличивается, другой – уменьшается, в сердечнике создается разностный магнитный
поток, в измерительной обмотке наводится переменная ЭДС, фаза
зависит от направления смещения; ЭДС подается на выпрямитель,
прибор показывает величину и направление смещения якоря. Рассмотренные ДИД применяются для измерения перемещения порядка долей и десятых долей миллиметра. Минимально возможный
воздушный зазор δВО по конструктивным условиям выбирается порядка 0,2–0,5 мм.
Достоинства ДИД: большой линейной участок, рабочее перемещение увеличивается до Δδ = (0,3–0,4)δ0; чувствительность схемы
в 2 раза больше; большой коэффициент усиления; компенсируются
погрешности от притяжения, колебаний питающего напряжения
и температуры окружающей среды.
Недостатки: Большая инерционность, большие размеры, небольшой КПД.
2.5.3. Трансформаторные датчики
Трансформаторные датчики – это датчики генераторного типа.
Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении индуктивности катушек при перемещении якоря.
Особенность трансформаторных датчиков – отсутствует электрическая связь между цепью питания (возбуждение) и измерительной
цепью, это позволяет получить любое напряжение на выходе нагрузки независимо от величины напряжения источника питания.
Наибольшее распространение получили дифференциальные
трансформаторные датчики (ДТД), представляющие собой 2 трансформатора с общим подвижным якорем (рис.2.18).
При симметричном положении якоря в выходной обмотке от обмоток Т1 и Т2 наводятся одинаковые и противоположные по знаку ЭДС.
34
Рис. 2.18. Дифференциальный трансформаторный датчик
При смещении якоря от нейтрального положения ЭДС от одной из
обмоток увеличивается, а другой – уменьшается, на выходе создается разностная ЭДС, фаза которой зависит от направления смещения.
Магнитоупругие датчики. Принцип действия магнитоупругого
датчика основан на явлении изменения магнитной проницаемости
ферромагнитных материалов в зависимости от величины механических напряжений, возникающих в них. Если к сердечнику приложить сжимающие, растягивающие, изгибающие, скручивающие усилия, то под действия этих усилий произойдет изменение магнитной
проницаемости µ – сердечника, что вызывает изменение магнитного
сопротивления Rм сердечника, при этом изменяется индуктивность
катушки, помещенной на сердечник и ее полное сопротивление.
Магнитоупругие датчики могут быть индуктивными, трансформаторными и индукционными, то есть в качестве выходной величины могут быть изменения индуктивности и взаимоиндуктивности
и выполняются как из сплошного материала, так и из наборных
сердечников. Эти датчики имеют высокую чувствительность, но необходимо компенсировать температурную погрешность и погрешности из-за гистерезиса.
Наряду с магнитоупругим эффектом существует магнитострикционный эффект; это явление, обратное магнитоупругому эффекту,
состоит в том, что внешнее магнитное поле вызывает механические
деформации ферромагнитного материала.
2.6. Индукционные датчики
В рабочей практике происходит множество процессов, которые
требуют подсчета частоты вращения или следования объектов. Например, это обязательный контроль частоты вала ленточного транспортера, привода крыльчатки бетономешалки, частоты следования
ковшей нории, частоты вращения шестерни коробки передач.
35
Рис. 2.19. Индуктосин
Индукционными датчиками обычно являются электрические машины, работающие в генераторном режиме. Есть электрические машины специального исполнения: сельсины, синусно-косинусные трансформаторы: вращающиеся трансформаторы (ВТ); они будут рассмотрены далее. Есть специальные датчики: резольверы и индуктосины.
Индуктосин представляет собой машину, состоящую из двух
изоляционных дисков, на смежных поверхностях которых нанесены печатные обмотки. Последние представляют токоведущие пластины, соединенные поочередно то у центра, то у периферии. Разумеется, число таких пластин должно быть четным (рис. 2.19).
Диски расположены соосно параллельно и могут поворачиваться
друг относительно друга. Магнитопровода индуктосин не имеет. Зазор
между дисками весьма мал – 0,1 мм. Синусоидальную зависимость
взаимной индуктивности между статором и ротором достигают путем
выбора определенного соотношения ширины проводника и полюсного
деления, скоса проводников, сокращения шага обмотки. Частота напряжения питания индуктосина 10–100 кГц. Однако несмотря на небольшой зазор коэффициент передачи напряжения составляет всего
0,005–0,01. Тем не менее при питании обмотки статора переменным
током в роторе индуцируется ЭДС, величина которой является функцией угла поворота ротора. Погрешность синхронно-следящей системы с индуктосином очень маленькая – несколько угловых секунд.
Индукционные датчики очень широко применяются как элементы автомобильной автоматики. На их основе были созданы различные приборы – от самых простых, регистрирующих линейные
перемещения, до сложных, таких как системы зажигания с цифровым управлением, системы впрыска топлива, антиблокировочные
системы управления тормозами и т. п.
36
Рис. 2.20. Индукционный датчик оборотов
В простейшем случае датчик состоит из катушки с обмоткой,
сердечника из магнитомягкого железа и магнита. Эти три компонента составляют статор датчика. Со статором взаимодействует ротор в виде зубчатого диска или зубчатой рейки с количеством зубцов, определяемым условиями применения датчика.
При вращении ротора в обмотке статора возникает переменное напряжение. Когда один из зубцов ротора приближается к обмотке, напряжение
в ней быстро возрастает и, при совпадении со средней линией обмотки, достигает максимума, затем, при удалении зуба, быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума (рис. 2.20).
Величина напряжения, вырабатываемого датчиком, зависит от
частоты вращения ротора, числа витков катушки и величины магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Поскольку
две последние величины постоянны, величина индуцируемого напряжения достигает максимума при максимальной частоте вращения. При конструировании следует уделять особое внимание усилению импульсов при малой частоте следования.
2.7. Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа (рис. 2.21).
Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты.
Прямой эффект заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении появляются электрические
заряды, подобные поляризационным.
Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерения
быстро протекающих динамических процессов – давления в стволах орудий при выстреле, давления газов в двигателях внутреннего сгорания, давления звуковых колебаний. Большое применение
получили пьезоэлектрические адаптеры (звукосниматели), маноме37
тры, вибраторы, измерители ускорений (акселерометры) и многие другие
устройства.
Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое
поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектричеРис. 2.21. Пьезоэлектрический ской оси, происходит изменение геомедатчик
трических размеров кристалла (сжатие
или растяжение).
Материалы пьезокристаллов: кварц, сегнетова соль, титанат
бария, турмалин, метаниобат свинца и бария. Материалы отличаются величиной пьезоэлектрической постоянной и другими параметрами.
Достоинства: малые габариты, возможность измерения быстропеременных нагрузок, надежность и простота конструкции.
Недостатки: различны у разных материалов: у кварца малая пьезоэлектрическая постоянная, у других – температурная зависимость.
Ультразвуковые датчики применяются в гидроакустике и в промышленности, при дефектоскопии деталей, а также в ряде приборов –
расходометрах, газоанализаторах и др. Их основой служит акустическая система, в состав которой входят ультразвуковые приемопередатчики на основе пьезокерамических элементов.
Области применения пьезоэлектрических датчиков:
1) измерение вибраций;
2) измерение давлений;
3) измерение усилий;
4) измерение сосредоточенных сил;
5) измерение ускорений.
2.8. Оптические датчики
Получению цветовых и контрастных меток способствуют оптические датчики. Такие устройства в ходу у предприятий, которые взаимосвязаны с промышленным производством. Обычно у крупных
производств в ходу оборудование с высоким уровнем автоматизации. Датчики с включенной оптикой имеют особенность реагировать
на предметы, которые имеют разную степень прозрачности. К примеру, это может быть аэрозольный дым, водяной пар, прочие факторы.
Функционирование оптических датчиков возможно в условиях с диапазоном видимого, инфракрасного, ультрафиолетового излучений.
38
Рис. 2.22. Оптический датчик
Оптический датчик может представлять собой как одиночный
вариант, так и блочный, объединенный в компактном корпусе.
Компактный корпус блочного типа обеспечивает высокую степень
защиты устройств от действия внешних негативных факторов. Иногда есть необходимость использования двухблочного типа корпусов.
Двухблочные варианты подразумевают наличие разных оболочек
для самого излучателя и приемника сигнала для оптики.
Схема любого оптического датчика состоит из следующих элементов: источника излучения (И); приемника излучения (П); среды
передачи (М); организованного оптического канала (ОК) и объекта.
Измеряемый параметр объекта меняет характеристику оптического
канала, которая измеряется приемником (рис. 2.22).
Все оптические датчики можно поделить на три группы:
1) датчики наличия и отсутствия;
2) датчики положения и перемещения;
3) датчики параметра среды, влияющего на прозрачность/поглощение.
Примером датчиков первой группы являются датчики серии А3.
Оптические датчики серии А3 функционируют по трем принципам
и делятся на три типа:
Отражающие оптические выключатели, которые излучают
и принимают отраженный от объекта свет, находящийся в зоне
действия датчика. Как только улавливается определенная световая
энергия, на выходе устанавливается соответствующий логический
уровень. Величина дистанции от датчика до объекта зависит от размеров улавливаемого предмета, от его цвета, шероховатости и т.д.
и может достигать 2 м. Конструктивно излучатель и приемник выполнены в одном корпусе.
39
Отражающие от световозвращателя, которые излучают и принимают свет, отраженный от специального отражателя (рефлектора), и при прерывании луча объектом выдается выходной сигнал.
Дальность действия зависит от состояния среды (пыль, дым и т.д.)
и может достигать 5 м. Конструктивно излучатель и приемник выполнены в одном корпусе.
Датчики сквозного типа, которые имеют конструктивно раздельные источник света и приемник, расположенные соосно друг
напротив друга. Любой предмет, попадающий в зону светового потока, прерывает его и вызывает изменение выходного логического
уровня. Дальность действия может достигать 20 метров.
2.8.1. Фотоэлектрические датчики положения
Фотоэлектрические датчики решают широкий ряд задач в промышленной автоматизации:
– отслеживание наличия и положения объекта;
– распознавание маркировочных меток;
– контроль уровня жидкостей;
– контроль доступа (системы ограничения доступа);
– контроль качества и др.
Современные оптические датчики положения (ОДП) обеспечивают наиболее высокую разрешающую способность, надежность
и точность; ОДП обладают и другими достоинствами. Для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки,
а также высокая помехозащищенность (рис. 2.23).
Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются оптронные пары и осветители в виде ламп накаливания с вольфрамовой
Рис. 2.23. Датчик положения угловой фотоэлектрический ЛИР-ДС250
40
Рис. 2.24. Фотоэлектрические датчик
нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы. Самым
ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим
его характеристики, является кодирующий диск, на котором с высокой точностью фотоспособом выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.
Обычно используют кодирующие диски, на дорожках которых
по окружности размещается до 2500 оптических сегментов. Если
же использовать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске с диаметром 100 мм можно различать свыше 5000
таких сегментов.
Оптические датчики положения классифицируются по двум основным признакам.
По форме выходного сигнала: относительные (накапливающие)
и абсолютные.
По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.
Накапливающие (циклические) преобразователи используют
датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения,
а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.
Датчики абсолютных значений не содержат репера и выполняются
либо одношкальными, либо в виде систем грубого и точного отсчета.
2.8.2. Растровые оптические датчики положения
Растровые оптические датчики положения (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растровой решетки. Растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к при41
емнику. Конструктивно растровая решетка – это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов
различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.
Для измерения линейных перемещений обычно используются
сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения
угловых – сопряжение радиальных растров.
Растровый оптический датчик положения включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров, блок фотоприемников и электронный блок обработки.
Блок обработки состоит из логической схемы и реверсивного счетчика, используемого в качестве накапливающего сумматора.
Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть
периода измерительной решетки. Количество импульсов определяет величину перемещения, а логическая схема определяет направление перемещения, используя последовательность поступления импульсов.
Точность РОДП определяется минимальным расстоянием между
растрами шкал (шагом) и количеством растровых полос на 1 мм/рад.
Это расстояние достигает у лучших датчиков 3–5 мкм, а количество
полос – 1000 на 1 мм. Разрешающая способность линейных РОД составляет 1–2 мкм.
К достоинствам РОДП относятся: простая и технологичная конструкция, а также малые размеры и масса.
К недостаткам относятся: накопление ошибок от сбоев и помех
в цепях реверсивного счетчика, потеря информации о перемещении
при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного
определения нулевого отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).
2.9. Магнитооптические датчики
Действие их основано на магнитооптическом эффекте. Магнитооптический эффект – изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагничиваемости или от приложенного к нему
магнитного поля.
Под оптическими свойствами следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Среди магнитооптических эффектов с изменением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра.
Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект,
называются магнитооптическими материалами. К ним относятся
42
диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Среди них на
практике особенно важны диамагнетики. Такие, как свинцовое
стекло (структура аморфная), а также висмутсодержащие.
Достоинствами висмутсодержащих является слабая температурная зависимость характеристик.
Магнитооптический эффект Фарадея заключается в том, что под
воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через вещество. Этот поворот плоскости поляризации на угол ϕ называют
фарадеевским вращением.
Угол фарадеевского вращения ϕ при напряженности магнитного
поля Н и длине взаимодействия L (длине светового пути в магнитооптическом веществе) выражается формулой ϕ = vHL, где v – постоянная
Верде, характеризует активность эффекта Фарадея в данном веществе.
Все перечисленные магнитооптические материалы характеризуются различным значением постоянной Верде. По сути постоянная
Верде является чувствительностью магнитооптического материала, так как чем она выше, тем на больший угол при прочих равных
условиях осуществляется поворот плоскости поляризации света
при одном и том же значении напряженности магнитного поля.
Как правило, при построении магнитооптических приборов стараются выбрать вещество, обладающее высоким значением постоянной
Верде. Одним из таких материалов являются эпитаксиальные пленки.
2.10. Магнитооптические датчики магнитного поля
Магнитооптический эффект Фарадея проявляется в оптически-активных средах (магнитооптических материалах), которые могут быть
в виде магнитооптической ячейки Фарадея (как в рассмотренном примере), феррит-гранатовых пленок или эпитаксиальных пленок.
Помимо этого, магнитооптический эффект Фарадея проявляется и в оптических волокнах, которые свернуты в виде витка или намотаны в виде катушки.
Фарадей открыл, что во многих материалах круговое двулучепреломление (магнитооптических материалах) возникает под действием приложенного магнитного поля. Следовательно, можно измерять магнитное поле, используя линейно поляризованное излучение
и измеряя величину кругового двулучепреломления, возникающего
в определенных материалах под воздействием внешнего магнитного
поля. Именно этот механизм в волоконно-оптических датчиках магнитного поля, основанных на эффекте Фарадея (рис. 2.25).
43
Статическое круговое двулучепреломление прямого отрезка круглой сердцевины оптического волокна обычно достаточно мало.
Однако присутствие напряженности магнитного поля H,
возникшее в волокне круговое
двулучепреломление повернет
плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на угол θ = V∫Hdl. Здесь
V – постоянная Верде, являюРис. 2.25. Волоконно-оптический датчик щаяся мерой интенсивности
электрического тока
проявления эффекта Фарадея
в волокне.
Интегрирование выполняется по длине волокна, подвергнутого
воздействию поля Н. Величина V зависит от состава материала волокна и оптической длины волны λ; намного слабее она зависит от
температуры диэлектрического вещества волокна.
Примечательным свойством вращения под воздействием эффекта
Фарадея является его зависимость от направления распространения.
Свет, распространяющийся в одном направлении, подвергается вращению на угол θ; свет, двигающийся в противоположном направлении, подвергается вращению на угол –θ. Эту зависимость можно использовать в разъединителях мощности, как на оптических, так и на
микроволновых частотах. С другой стороны, она может являться помехой в таких устройствах, как волоконно-оптические датчики вращения, основанные на исключении всех источников такой зависимости. Паразитное магнитное поле может действенно влиять на датчик
через эффект Фарадея и искажать выходной сигнал.
В общем случае при измерении тока N витков волокна намотано
либо на каркас, либо на проводник с током, внутри которого расположен проводник с током i. В соответствии с законом Ампера линейный
интеграл магнитного поля θ = V∫Hdl сводится к формуле θ = VNi.
В рассматриваемой нами схеме датчика электрического тока на входе в одномодовое волокно поляризатор создает линейно поляризованное
излучение. Анализатор же (тот же поляризатор) устанавливается под
фиксированным углом по отношению к входному поляризатору. Чтобы
поддерживать строго определенное состояние поляризации на всем протяжении используется одномодовое волокно. Если анализатор установлен под углом ±45° по отношению к поляризатору, то мощность излуче44
ния (интенсивность J) на приемнике определяется: P = P0/2(1 ± sin2θ),
где P0/2 – средняя оптическая интенсивность на приемнике.
Для небольших углов эта формула может быть преобразована
следующим образом: P = P0/2(1 + 2VNi).
Из последней формулы следует, что интенсивность (мощность)
является линейной функцией тока.
2.11. Акустооптические датчики
Дефлекторы применяются для формирования изображения в системах
лазерного телевидения, в системах поиска и слежения за движущимися
объектами, в блоках оптической памяти вычислительных машин и т. д.
Действие акустооптических датчиков основано на использовании акустооптического эффекта.
Акустооптический эффект (АОЭ) – это явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разными показателями преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука.
Периодическое чередование неоднородности среды «работает» как
дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.
Акустооптические эффекты бывают двух типов. При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) L
ультразвуковой волны (УЗ-волны) возникает дифракция Рамана-Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга.
1. Акустооптический эффект Рамана-Ната
При дифракции Рамана-Ната световая волна, попадая на периодическую неоднородность, распадается на спектр мод света порядка 0,
+1, +2, –1, –2. Из них используются +1, –1, так как сигнал наибольший.
Если нарисовать в схеме наблюдения ФД, АЦП и ЖКИ,
то получим акустооптический
преобразователь перемещения,
у которого подвижным элементом является акустооптическая ячейка, перемещающаяся
вместе с генератором вверх или
вниз относительно лазера, ФД Рис. 2.26. Акустооптический датчик
и т. д. (рис. 2.26).
Рамана-Ната
45
2. Акустооптический эффект Керра
Суть эффекта Керра заключается в следующем: луч лазера,
излучаемый лазерным диодом, отражается от периодической неоднородности только лишь при определенном угле, характерном
для акустооптических материалов. Этот угол называется углом
Брэгга θВ. При всех остальных углах падения светового луча не
отражается (рис. 2.27).
Обязательным условием возникновения рассматриваемого эффекта Керра, также как рассмотренного эффекта Рамана-Ната, является наличие УЗ-волны, излучаемой пьезоэлементом.
При дифракции Брэгга: θВ = θ = sin(λ/2Λ).
Эффективность дифракции Брэгга выше, чем эффективность
дифракции Рамана-Ната. При дифракции Рамана-Ната отношение
интенсивностей отраженного угла одной из мод к интенсивности
падающего луча характеризует эффективность и составляет 33,9%.
При дифракции Брэгга отношение интенсивности отраженного луча
к интенсивности падающего луча близко к 100%, что очень важно
для практического использования. Частота генератора 100 МГц.
Материалы, в которых имеет место АОЭ, носят название акустооптических материалов.
К ним предъявляются следующие требования:
1) рассеяние, поглощение света должны быть незначительны;
2) постоянные фотоупругости и коэффициент преломления – велики;
3) поглощение и скорость звука – малы.
Среди жидкостей наиболее удовлетворяет перечисленным требованиям вода, которая используется в большинстве экспериментов.
Среди твердых тел наиболее удобны для использования различные
стекла и кристаллы.
Акустооптический эффект применяется для построения преобразователя перемещения, газоанализаторов, концентратомеров жидких сред, измерителей расстояния, расщепителя светового луча и т.д.
Достоинством АО датчиков является высокая чувствительность, так как они
являются, по сути, спектро- Рис. 2.27. Акустооптический датчик
Керра
метрами.
46
2.12. Электрооптические датчики
Электрооптические датчики (ЭОД) позволяют определять расстояния, позволяют обнаружить цель и определить расстояние до нее.
Действие электрооптических датчиков основано на электрооптическом эффекте (ЭОЭ) (рис. 2.28).
Электрооптический эффект – это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля.
Материалы, обладающие такими свойствами, называют электрооптическими материалами.
Электрооптические эффекты бывают двух видов:
1. Линейный электрооптический эффект Поккельса, при котором
коэффициент преломления линейно зависит от силы электрического
поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии: n1=k1U. Эффект Поккельса имеет место в пьезокристаллах.
2. Квадратичный электрооптический эффект Керра, при котором коэффициент преломления пропорционален квадрату силы
поля вещества с внутренней симметрией: n2=k2U2.
Эффект Покельса проявляется в кристаллах необата лития –
кристалл сегнетоэлектрика. Эффект Керра имеет место в нитроглицерине, сероуглероде.
Плоско поляризованный луч света (ППЛС).
В технике часто используют эффект Поккельса из-за хорошей
линейности.
Электрическое поле создает в электрооптическом веществе анизотропию (неодинаковость свойств материалов в разных направлениях), порождающую двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление изменяет поляризацию световой волны. А изменение поляризации широко используется в технике и, в частности, в ЭО датчиках.
Линейно поляризованный свет можно представить в виде двух составляющих x и y, имеющих одинаковые фазы. Когда электрическое поле
отсутствует, направление поляризации
света после прохождения через кристалл сохраняется и анализатор, расположенный перпендикулярно входному
поляризатору, не дает свету выйти из
прибора. Если к кристаллу приложить
электрическое напряжение, в нем напряженностью создается электрическое поле и, вследствие анизотропии, Рис. 2.28. Электрооптический
изменяется коэффициент преломления
датчик
47
по осям x и y. Это приведет к различию составляющих скорости света
вдоль этих осей и, в свою очередь, к различию фаз проходящего света по
составляющим x и y. Разность фаз будет нарастать по мере прохождения
света через кристалл. На выходе из кристалла результатом суммирования колебаний по составляющим x и y будет эллиптически поляризованный свет. При этом только часть энергии выйдет из прибора через
анализатор – энергия колебаний, имеющих плоскость поляризации,
параллельную заданной анализатором.
Значит можно модулировать амплитуду световых волн при помощи
электрического напряжения. Если разность хода по составляющим x
и y станет равной 1/2 длины волны, то свет на выходе из кристалла станет линейно поляризованным в направлении, перпендикулярном поляризатору на входе, и интенсивность излучения станет максимальной.
Напряжение, дающее этот эффект, называют полуволновым.
В ЭО модуляторе удобнее использовать материалы с малым полуволновым напряжением.
2.13. Расходомеры
Расходомеры используют для измерения количества жидкости
или газа, проходящего через единицу площади. Различают объемные и массовые расходы.
Объемные расходы обозначаются Q = Vоб/t, [м3/с].
Массовые – обозначаются G = m/t, [кг/с].
В общем случае, если известно сечение трубы S, [м2] и скорость
движения Vск, [м/с], то объемный расход: Q = VскS[м/с×м2] = VскS[м3/с].
Приборы, предназначенные для измерения расхода, носят название расходомеры.
Существует большое разнообразие типов и конструкций расходомеров: электромагнитные, вихревые, турбинные, с сужающими
устройствами, ультразвуковые и другие. Рассмотрим некоторые из
перечисленных расходомеров.
Достаточно широко распространены расходомеры, содержащие
сужающие устройства на пути потока, которые создают перепад
давления до и после сужающего устройства. Их называют расходомерами с переменным перепадом давления (рис. 2.29).
На пути потока жидкости или газа устанавливается сужающее
устройство, по обе стороны которого имеет место перепад давления
∆Р = Р1 – Р2, где Р1 – давление до сужающего устройства; Р2 – давление после сужающего устройства. Давление Р1 и Р2 поступают через
трубки в измеритель перепада давления 1 и воздействуют на мембрану. Измеряемый расход пропорционален ∆Р.
48
Рис. 2.29. Расходомер
Рис. 2.30. Турбинный расходомер
Следующая группа – это турбинные расходомеры, в которых
увеличение расхода судят по измеряемой скорости жидкости или
газа: Q= VскS[м3/с] (рис. 2.30).
Ультразвуковые расходомеры. Рассмотренные два типа расходомеров требуют установки внутри трубы различных устройств. Поэтому более предпочтительными являются ультразвуковые расходомеры. Ультразвуковые расходомеры не требуют размещения внутри
трубы каких-то частей прибора (рис. 2.31).
Если в электронном блоке осуществить перемножение напряжения U, пропорционального скорости среды, на площадь поперечного
сечения S, то будем иметь сигнал, пропорциональный расходу.
Электромагнитные расходомеры используются для измерения скорости электропроводящих сред. Выходная ЭДС электромагнитных расходомеров пропорциональна скорости движения потока жидкости (рис. 2.32).
49
Рис. 2.31. Ультразвуковой расходомер
Рис. 2.32. Электромагнитный расходомер
Около 21% всех расходомеров электромагнитные. Они используются для электропроводящей жидкости и основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому изменяющееся
во времени магнитное поле, пересекая ветки обмотки, наводит в ней
ЭДС, пропорциональную изменению потока сцепления во времени.
В трубопроводе из немагнитного материала протекает электропроводная жидкость, которая пересекается переменным магнитным полем, создаваемым обмоткой.
По закону электромагнитной индукции Фарадея в потоке жидкости, как в перемещающемся проводнике, возникает переменная ЭДС,
которую измеряют с помощью цифрового вольтметра. Величина ЭДС
зависит от частоты, индукции магнитного поля, внутреннего диаметра
50
трубы и скорости движения жидкости. Погрешность измерения с помощью электромагнитных расходомеров составляет (1…2)%. Они малоинерционны.
2.14. Вихревые расходомеры
В течение многих лет самыми распространенными средствами
измерения расхода жидкости, газа и, особенно пара, были расходомеры переменного перепада давления – расходомеры с сужающими
устройствами. Они обладают рядом недостатков, главный из которых заключается в том, что внутри трубы размещаются сужающие
устройства. Поэтому последние годы они вытесняются другими более современными расходомерами – вихревыми расходомерами.
Наиболее динамичными развивающимися расходомерами являются вихревые расходомеры (рис. 2.33).
Свое название вихревые расходомеры получили от явления срыва вихрей, возникающего при обтекании потоком жидкости или
газа препятствия.
Когда поток не может следовать в форме плохо обтекаемого
тела, он разделяется на поверхности препятствия, создавая за
ним сильно турбулизованную область в виде непрерывной серии
вихрей, уносящихся потоком. Каждый вихрь сначала вырастает
на поверхности препятствия, а затем, отделяясь, срывается с него.
Подобный эффект можно наблюдать на порожистой реке, при обтекании потоком крупных камней или у флага, трепещущегося на
ветру. Из-за невозможностей развития двух вихрей одновременно,
они срываются с каждой из поверхностей препятствий поочередно, в «шахматном» порядке, образуя вихревую «дорожку (цепочку)
Ван-Кармана», по имени ученого, изучавшего это явление. Частота срыва вихрей при выполнении определенных условий оказывается прямо пропорциональной скорости потока, а следовательно,
объемному расходу. Выражается следующей формулой: f = χV/d,
где χ – постоянная, не зависящая от плотности и скорости потока;
d – характерный размер (диаметр) тела обтекания; f – частота срыва вихрей; V – скорость потока.
Рассмотрим схему образования вихрей.
Впервые такая простая математическая зависимость частоты образования вихрей от скорости потока установлена в опытах Струхаля при обдуве кругового цилиндра воздухом, поэтому критериальный коэффициент χ получил название числа Струхаля (Sh).
Развитие этой теории и обоснование явлений, связанных с процессами вихреобразования в виде периодического срыва вихрей с краев
51
Конвертер
Вихреобразователь
Сенсор
Рис. 2.33. Вихревой расходомер
плохо обтекаемого тела или щели, было проведено в начале ХХ в.
Т. Карманом. Было установлено наличие целого спектра частот,
включающего кроме основной гармоники также и высшую.
Процесс срыва вихрей с тела обтекания носит периодический характер, создавая пульсации давления, подобно источнику колебаний («вихревой» частоты). Образуемая позади тела обтекания вниз
по потоку регулярная структура в виде «вихревой дорожки» позволяет использовать это обстоятельство для измерения частоты.
В первом случае датчик давления фиксирует усилие, возникающее
непосредственно в теле обтекания. Во втором случае – знакопеременное давление (ВД – высокое давление; НД – низкое давление). В третьем случае формируется на некотором давлении от тела обтекания.
«Классическая» схема вихревого расходомера состоит из тела обтекания в виде усеченной трапецеидальной формы, установленной
поперечно в трубопроводе широким основанием к потоку и генерирующей вихри. Позади тела обтекания располагается чувствительный элемент, воспринимающий вихревые колебания потока.
52
3. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
3.1. Общие сведения
об информационно-измерительных системах
Основная тенденция развития измерений в автоматизированном
производстве – это переход к машинному контролю по адаптивным
моделям, к применению более сложных управляющих и информационно-измерительных систем (ИИС).
В связи с этим резко возрастает значение метрологических характеристик измерительных каналов, учитывающих метрологические характеристики не только всех включенных в измерительный
канал блоков, но и временные влияния каналов друг на друга.
Измерительная информационная система – это совокупность, функционально объединенных измерительных, вычислительных и других
вспомогательных технических средств, для получения измерительной
информации, ее преобразования, обработки с целью предоставления
потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления
логических функций контроля, диагностики, идентификации и др.
В зависимости от выполняемых функций ИИС делятся на следующие виды:
– Измерительные системы (ИС).
– Системы автоматического контроля (САК).
– Системы технической диагностики (СТД).
– Системы распознавания образцов (СРО).
– Телеизмерительные системы (ТИС) и др.
Измерительная система. Измерительная система (ИС) — совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), образующих
измерительные каналы, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов
измерений (выражаемых числом или кодом), в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояния) объекта измерений.
Измерительные системы обладают основными признаками средств
измерений и являются их специфической разновидностью.
Основными областями применения собственно измерительных систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции и др.
53
Наиболее крупной структурной единицей, для которой могут
нормироваться метрологические характеристики (MX), является
измерительный канал (ИК) ИС.
Системы автоматического контроля. Системы автоматического контроля (САК) предназначены для контроля технологических
процессов, при этом характер поведения и параметры их известны.
Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим (измеренным) состоянием объекта и установленной «нормой поведения» по известной математической модели объекта. По результатам обработки полученной информации выдается суждение о состоянии объектов контроля. Таким образом, задачей САК является
отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний.
В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин
к относительным эффективность работы значительно повышается.
Оператор САК при таком способе количественной оценки получает
информацию в единицах, непосредственно характеризующих уровень опасности в поведении контролируемого объекта (процесса).
Системы автоматического контроля имеют обратную связь, используемую для воздействия на объект контроля. В них внешняя
память имеет значительно меньший объем, чем объем памяти ИС,
так как обработка и представление информации ведутся в реальном
режиме контроля объекта.
Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от
ИС достаточен для составления алгоритма контроля и функционирования самой САК. Алгоритм функционирования САК определяется параметрами объекта контроля. По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие: длительность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промышленных помех,
климатические и механические воздействия.
Системы автоматического контроля могут быть встроенными
в объект контроля и внешними по отношению к нему. Первые преимущественно применяются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комплект такого оборудования.
Системы технической диагностики. Системы технической диагностики (СТД) представляет собой совокупность множества возможных состояний объекта, множества сигналов, несущих информацию о состоянии объекта, и алгоритмы их сопоставления.
Объектами технической диагностики являются технические
системы. Элементы любого технического объекта обычно могут
находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем технической диагностики СТД
54
является определение работоспособности элемента и локализация
неисправностей.
В СТД определение состояния объекта осуществляется программными средствами диагностики. При поиске применяется комбинационный или последовательный метод.
При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок независимо от порядка их осуществления. Последовательный
поиск связан с анализом результатов каждой проверки и принятием решения на проведение последующей проверки. Системы технической диагностики подразделяют на специализированные и универсальные.
Системы технической диагностики подразделяют на диагностические и прогнозирующие системы. Диагностические системы
предназначены для установления точного диагноза, т. е. для обнаружения факта неисправности и локализации места неисправности.
Прогнозирующие СТД по результатам проверки в предыдущие
моменты времени предсказывают поведение объекта в будущем.
По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые. По характеру диагностики или прогнозирования
различают статистические и детерминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выносится на основании ряда
измерений или проверок сигналов, характеризующих объект. В детерминированной СТД параметры измерения реального объекта
сравниваются с параметрами образцовой системы (в СТД должны
храниться образцовые параметры проверяемых узлов). Системы
технической диагностики подразделяют также на автоматические
и полуавтоматические, а по воздействию на проверяемые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД результат диагностики представляется на световом табло либо в виде
регистрационного документа, т. е. результатом проверки является
только сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автоматически подключает резерв или осуществляет регулирование
параметров отдельных элементов.
Существуют еще такие системы:
– Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для определения степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом.
– Телеизмерительные информационные системы (ТИИС), которые предназначаются для измерения параметров сосредоточенных
и рассредоточенных объектов, в зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используется для передачи информации.
55
3.2. Структура информационно-измерительной системы
Измерительные информационные технологии являются разновидностью информационных технологий и выделяются из этого обширного множества тем, что носят очевидный познавательный характер
и реализуют специфические процедуры, присущие только им:
– получение исходной измерительной информации в результате
взаимодействия первичных измерительных преобразователей (сенсоров) с объектом измерений;
– преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью;
– сопоставление сигналов измерительной информации с размерами
общепринятых единиц измерения, оценка и представление характеристик остаточной неопределенности значений измеряемых величин.
Для каждого типа ИИС используется цепочка из аппаратных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих). Таким образом, структурная схема ИИС содержит:
1) множество разновидностей первичных измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках пространства
стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;
2) множество измерительных преобразователей;
3) группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контроля;
4) множество цифровых устройств, содержащее формирователи
импульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти,
устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируемые вычислительные устройства – микропроцессоры, микроЭВМ и др.;
5) группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации;
6) указанные функциональные блоки соединяются между собой
через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;
7) интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин,
интерфейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служащие для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков;
8) устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функциональных блоков и подающее команды на исполнительные устройства для формирования
воздействия на объект исследования (ОИ).
56
Наиболее крупной структурной единицей ИИС, для которой могут нормироваться метрологические характеристики (МХ), является измерительный канал (ИК). Он представляет собой последовательное соединение СИ, образующих ИИС (некоторые из этих СИ
сами могут быть многоканальными, в этом случае следует говорить
о последовательном соединении ИК указанных СИ).
Такое соединение СИ, предусмотренное алгоритмом функционирования, позволяет выполнять законченную функцию от восприятия измеряемой величины до индикации или регистрации
результата измерений включительно, или преобразование его в сигнал, удобный для дальнейшего использования вне ИИС, для ввода
в цифровое или аналоговое вычислительное устройство, входящее
в состав ИИС, для совместного преобразования с другими величинами, для воздействия на исполнительные механизмы.
Типовая структура ИК включает в себя первичный измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор, цифроаналоговый преобразователь.
Различают простые ИК, реализующие процедуру измерения какой-либо величины, и сложные ИК, реализующие процедуры измерения нескольких величин и получение искомой величины расчетным путем на основе известных функциональных зависимостей
между измеренными и рассчитываемой величинами. Начальная
часть сложных ИК разделяется на несколько простых ИК, например, при измерениях мощности в электрических сетях начальная
часть ИК состоит из простых каналов измерений электрического
напряжения и тока. Учитывая многоканальность ИИС, использование одних и тех же устройств в составе различных ИК, последние
можно выделить, зачастую только функционально, и их конфигурация реализуется программным путем. Протяженность ИК может
составлять от нескольких метров до нескольких сотен километров.
Число ИК – до нескольких тысяч. Информация от первичных преобразователей передается обычно при помощи электрических сигналов (реже – пневматических) – ток, напряжение, частота следования импульсов. В некоторых областях измерений современные
первичные измерительные преобразователи имеют цифровой код.
При большой протяженности ИК используются радиосигналы.
Часть ИИС после линий связи, соединяющих ее с первичными
преобразователями, обычно называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Значительная часть современных ИВК
строится на базе контроллеров, как правило, модульного исполне57
ния, включающих в себя аналого-цифровые и цифроаналоговые
преобразователи, процессор, модули дискретной (бинарной) информации (входные и выходные), вспомогательные устройства. Состав,
конфигурация, программное обеспечение ИВК конкретизируются
с учетом специфики объекта.
Особенности ИИС делают особенно актуальной для них проблему
расчета МХ ИИС по МХ образующих их компонентов. Метод расчета
МХ ИК ИИС существенно зависит от того, относятся ли образующие
его СИ к линейным устройствам. Методы расчета нелинейных систем
зависят от вида нелинейности, возможности расчленения СИ на линейную инерционную и нелинейную безынерционную часть и от других обстоятельств и отличаются большим разнообразием.
3.3. Назначение и виды
информационно-измерительных систем
Основными признаками ИИС являются: область применения;
способ комплектования; структура, виды входных сигналов; виды
измерений; режим работы, функциональные свойства компонентов.
По области применения ИИС делят на группы:
– для научных исследований;
– для испытаний и контроля сложных изделий;
– для управления технологическими процессами.
По способу комплектования:
– агрегатированные;
– неагрегатированные, состоящие из компонентов, специально
разработанных для конкретных систем.
Агрегатированные ИИС, как правило, включают универсальное
ядро – ИВК, на основе которого, используя датчики различных физических величин, можно строить ИИС различного назначения.
По структурным признакам:
– системы параллельно-последовательной структуры; основным
признаком такой структуры служит наличие ИК циклически коммутируемого с множеством датчиков;
– системы параллельной структуры, включающие множество
одновременно работающих каналов, выходные системы которых
преобразуются функциональным единым преобразователем и обрабатываются в одном вычислительном устройстве.
Сигналы на входе ИИС могут быть непрерывными или дискретными, детерминированными или случайными.
В зависимости от соотношения между скоростью изменения
входных сигналов и инерционными свойствами системы различают
58
два основных режима работы ИИС: статический и динамический.
В динамическом режиме инерционные свойства системы оказывают влияние на результат измерения.
Измерительный компонент ИИС – средство измерений: измерительный прибор, измерительный преобразователь, мера, измерительный коммутатор.
Измерительные компоненты по характеру функциональных
преобразований подразделяются на аналого-цифровые и цифроаналоговые.
Аналоговые измерительные компоненты могут быть линейными
и нелинейными, аналого-цифровые по своей природе являются нелинейными устройствами.
Связующий компонент ИИС – техническое устройство либо
часть окружающей среды, предназначенные или используемые для
передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине, от одного компонента
ИИС к другому.
Вычислительный компонент ИИС – цифровое вычислительное
устройство (или его часть) совместно с программным обеспечением,
выполняющее функцию обработки (вычисления) результатов наблюдений для получения расчетным путем результатов измерений,
выражаемых числом или соответствующим кодом.
Вычислительные компоненты подразделяются на:
– аналогово-вычислительные – аналоговые устройства, выходной сигнал которых является функцией двух или более сигналов;
– цифровые вычислительные – устройства, выходной цифровой
сигнал которых является функцией двух или более сигналов.
Информационный компонент ИИС – техническое средство, предназначенное для получения информации, хранения, преобразования и передачи информации.
С точки зрения информационной теории измерительных устройств процесс измерения, выполняемый любым измерительным устройством (включая необходимые действия человека-оператора), состоит из ряда последовательных преобразований информации об измеряемой величине, проводимых до тех пор, пока
она не будет представлена в том виде, ради получения которого
и выполняется данное измерение. Средство измерения рассматривается как канал приема (получения) и передачи информации
(измерительной). Таким образом, средство измерения и измерительный компонент ИИС являются разновидностью информационного компонента.
59
3.4. Информационно-измерительные системы в полиграфии
3.4.1. Общие сведения
В полиграфии ИИС представляют собой цифровые печатные
машины. Цифровая печать позволяет с максимальной оперативностью и скоростью выполнения заказов воплощать в жизнь любые
идеи и проекты в области маркетинговой и деловой полиграфии.
Максимальный формат печати с цифрового оборудования – A3+.
Цветное копирование с помощью метода цифровой печати идеально
подходит для небольших тиражей цветной полиграфической продукции и обладает следующими преимуществами:
Очень высокая оперативность: полноцветные копии, буклеты и брошюры, этикетки и наклейки, плакаты и бланки, а также прочую полиграфическую продукцию можно изготовить прямо в присутствии заказчика. Печать выполняется в максимально сжатый срок (от 1 часа),
поэтому очень подходит при случае срочных заказов.
Позволяет получить высокое качество: при небольших тиражах
(до 300 копий с одного оригинала) цифровая печать является наиболее рентабельной. При этом обеспечивается качество, сравнимое
с офсетной печатью. Цифровая печать — лучшее решение для срочного изготовления цветных иллюстрированных журналов и каталогов. Перед тем, как печатать заказ, заказчик может увидеть будущую продукцию, результат, распечатав пробный вариант, чего
нельзя сделать при офсетном методе печати, так как нужна допечатная подготовка, которая занимает много времени и требует немалых материальных затрат. Также цифровая печать предоставляет возможность персонифицировать данные и вводить нумерацию.
При офсетном методе печати это невозможно.
Цифровая печать позволяет напечатать столько продукции,
сколько вам необходимо. Гораздо разумнее допечатать точное количество необходимых экземпляров, ежели напечатать лишнее.
При повторном тираже в макет в любой момент можно внести небольшие правки, которые иногда бывают очень важны. Например,
изменить даты, контактные телефоны или другую информацию.
В странах, где бизнес-полиграфия развита не первый год, печать по
требованию является одной из важнейших областей применения
цифровой печати.
Цифровые печатные машины делятся на две группы:
1. Машины, которые предусматривают запись печатных форм непосредственно на своем формном цилиндре, а печать осуществляется традиционным способом. Технология таких машин называется
60
«Computer–to–Press». Такие печатные машины соединяют в себе рекордер для лазерной записи формы и собственно печатную машину.
2. Машины, реализующие прямую цифровая печать, т. е. каждый оттиск изображения получается непосредственно из цифрового
массива и из технологического цикла выпадает процесс подготовки и изготовления вещественной печатной формы. В этих машинах
перед получением каждого оттиска изображение записывается на
специальном носителе. Технология таких цифровых печатных машин называется «Computer–to–Print».
Электрофотография – это совокупность технологических методов и средств получения изображения на специальных формных
материалах, которые изменяют свои электрические параметры в соответствии с количеством световой энергии, попавшей на их поверхности. Другими словами, способ получения электрофотографий основан на способности некоторых фотополупроводников в темноте
воспринимать и удерживать заряд, а при воздействии света увеличивать электропроводность и разряжаться. Такое явление называется электрофотопроводимостью.
На основе электрофотопроводимости возможно получение скрытого электростатического изображения на электрофотографических
материалах. Они состоят из металлической, как правило, алюминиевой подложки, на рабочей поверхности которой нанесен тонкий слой
фотополупроводникового материала. В качестве фотополупроводниковых материалов в электрофотографии используются чистый селен
(Se), селен с добавками (As2Se3, CdSe), сернокислый кадмий (CdS),
окись цинка (ZnO), аморфный кремний (α-Si) и многослойные органические фотополупроводники OPC (Organik Photo Conduktor).
3.4.2. Технологический процесс,
реализуемый в печатной машине E-Print 1000
Основные технологические операции процесса, реализуемого
в печатной машине E-Print 1000, состоят из следующих этапов:
1. Формирование скрытого электростатического изображения на
электрофотослое.
Зависит от свойств электрофотографического материала и технической характеристики лазерной записывающей головки.
2. Нанесение тонера.
Проявление скрытого изображения и его визуализация осуществляется по схеме обратимого проявления, физическая сущность
и особенности которого подробно описаны в этом подразделе. Однако следует отметить, что технологические особенности этого про61
цесса как и качество печати во многом определяются свойствами
используемого тонера.
Специально разработанный жидкий тонер, применяемый в цифровой печатной машине E-Print 1000, состоит из масла, исполняющего роль диэлектрического носителя, красящих пигментов,
имеющих мелкодисперсную структуру и своеобразную игольчатую
форму «морского ежа» с относительно большой площадью наружной поверхности. Введение в этот тонер специальных добавок с поляризованными молекулами и воздействие на него электрического
тока позволяет зарядить пигментные частицы отрицательным зарядом. Этому способствует большая площадь внешней поверхности,
так как именно она является носителем отрицательного заряда.
Большое значение имеют размер и форма красящих пигментных
частиц. Маленький размер этих частиц позволяет обеспечивать
высокое разрешение и дает возможность получать изображения
как при офсетном способе печати. Форма частиц наподобие «морского ежа» с большой площадью наружной поверхности позволяет
не только нести на этой поверхности отрицательно заряженные частицы, но и образовывать при сжатии прочные эластичные пленки,
что также улучшает качество печати. Оттиски, полученные таким
тонером, допускают все отделочные операции, используемые в традиционной офсетной печати. Концентрация пигментных частиц
жидкого тонера мала, она определяется оптимальной оптической
плотностью оттиска и для используемого в машине E-Print 1000
тонера составляет приблизительно 17%. Взвешенное и равномерное
распределение частиц тонера достигается за счет его постоянного
перемешивания.
3. Перенос тонера.
Осуществляется посредством промежуточного элемента – офсетного цилиндра, оснащенного специальным резиновым (декельным)
полотном. Этот этап включает в себя два переноса.
Первый состоит не только из самого переноса, но и подготовительных этапов: снятия остатков масла с пробельных элементов,
уплотнения и удаления излишков тонера с печатных элементов.
Уплотнение слоя тонера на печатных элементах до необходимого
значения придает ему требуемую прочность, позволяющую не нарушать сплошность красящего слоя печатных элементов при первом
переносе на декельное полотно офсетного цилиндра.
При втором переносе краски с декельного полотна на запечатываемый бумажный лист достигается ее стопроцентный перенос за
счет особенных свойств краски, описанных ранее, и нагрева декель62
ного полотна до температуры 130 °С, что также не требует специального этапа сушки или закрепления его на поверхности бумаги.
Достоинством такого переноса является то, что растровые точки
имеют четкие края и не растекаются, так как попадают на бумагу
не в жидком, а в расплавленном состоянии. Это обеспечивает высокое качество печати и требуемое разрешение.
4. Этап очистки.
Подготовка электрофотографического слоя формного цилиндра после переноса с его поверхности проявленного изображения на офсетный цилиндр. Этот этап необходим, так как на рабочей поверхности
формного цилиндра могут остаться как отдельные частицы тонера,
так и остаточные заряды. Этот этап в печатной машине E-Print 1000
разделен во времени и выполняется в следующей последовательности.
Сначала печатные элементы, сформированные тонером в результате проявления на печатном цилиндре непосредственно перед их переносом на офсетный цилиндр, подвергаются зарядовой нейтрализации
и только потом переносятся. Это позволяет с минимальными потерями (искажениями) осуществить перенос и тем самым облегчает сам
этап очистки, сведя его к механическому удалению незначительных
остатков тонера с электрографического слоя печатного цилиндра.
3.4.3. Контролирующие и измерительные приборы
в схеме автоматизации печатной машины E-Print 1000
Процесс печати в машине E-Print 1000 полностью автоматизирован. Вручную производятся лишь укладка стопы бумаги на стапельный стол самонаклада и извлечение отпечатанной продукции
с приемного стола выходного лотка.
Автоматизация любого технологического процесса невозможна
без применения всевозможных датчиков, первичных преобразователей, микроконтроллеров, регуляторов.
Расположение датчиков в печатной машине приведено на технологической схеме (рис. 3.1).
Все датчики, применяемые в печатной машине Indigo E-Print
1000, можно разделить на следующие большие группы:
1) датчики, контролирующие правильность установки съемных
узлов машины;
2) датчики, контролирующие параметры технологического процесса ElectroInk;
3) датчики бумагопроводящей системы, определяющие необходимость вмешательства оператора для выполнения ручных операций;
4) датчики, отвечающие за безопасность обслуживающего персонала.
63
5
1,2
4
3
6
7
12
10
18
13
11
22
23
9
15
8
19
14
17
16
21
20
Рис. 3.1. Технологическая схема печатной машины Indigo E-Print 1000:
1 – датчик блокировки дверей; 2 – датчик температуры; 3 – датчик
пишущей головки; 4 – датчик, контролирующий установку инжекторов;
5 – датчик, контролирующий установку проявочного валика; 6 – электрометр; 7 – датчик, контролирующий установку станции очистки;
8 – датчик уровня на столе самонаклада; 9 – датчик контроля верхнего предела стола самонаклада; 10 – датчик установки 7 ракельного
ножа; 11 – датчик установки лампы стирания электрического заряда;
12 – датчик установки реверсивного валика; 13 – датчик установки
ракельных ножей 6-и красок; 14 – датчик установки дуплексного лотка;
15 – датчик переполнения выводного лотка; 16 – датчик нарушения подачи листа; 17 – датчик нижнего предела подъема стола самонаклада;
18 – датчик нарушения подачи листа; 19 – датчик установки баллона
с краской; 20 – датчик, контролирующий плотность тонера; 21 – датчик уровня тонера 22 – датчик – «лоток самонаклада пуст»; 23 – датчик контроля плотности бумаги
64
Датчики первой группы представляют собой контактные концевые выключатели, замыкающие цепь при правильной установке
съемных либо подвижных узлов машины. Это датчики, осуществляющие контроль:
– установки инжекторов;
– установки проявочного валика;
– установки станции очистки;
– установки ракельных ножей станции проявочного цилиндра;
– установки реверсивного валика;
– установки дуплексного лотка;
– установки баллона с краской.
Ко второй группе датчиков относятся:
– Датчики температуры, контролирующие температуру необходимых элементов машины. Эти датчики устанавливаются на цилиндр
с декельным полотном для контроля температуры его поверхности,
в красочный аппарат для контроля температуры краски и на другие
элементы машины. Применяемые в машине Indigo температурные
датчики строятся по принципу мостовой электрической схемы с включенным в одно плечо моста терморезистором (резистор у которого сопротивление меняется с изменением температуры).
– Датчик пишущей головки, установленный в пишущей головке
для контроля наличия и интенсивности лазерного луча. По линии
падения лазерного луча под определенным углом установлено полупрозрачное зеркало, которое часть потока лазерного излучения направляет на фоторезистор. Фоторезистор преобразует световой поток в электрический сигнал, по наличию и уровню которого можно
судить о работе лазерной головки.
– Электрометр, установленный на формном цилиндре, контролирует заряд поверхности фотополупроводникового слоя.
– Датчик готовности к работе лампы стирания электрического заряда (РТЕ).
– Датчик плотности краски. Построен по принципу оптопары:
светодиод испускает световое излучение через поток краски, а фотодиод принимает остаточное световое излучение. По количеству световой энергии поглощенной краской можно судить о ее плотности.
– Датчики уровня краски – поплавки с герконами, срабатывающими при достижении краской минимального и максимального
уровней в емкости для приготовления краски.
Датчики бумагопроводящей системы контролируют:
– крайние верхнее и нижнее положения стапельного стола самонаклада;
65
– высоту стопы бумаги на стапельном столе и выводном лотке;
– подачу в машину сдвоенных листов;
и сигнализируют о:
– неправильной подаче листа в печатную машину;
– заполнении выходного лотка;
– неправильном выводе листа с самонаклада;
– окончании бумаги на стапельном столе.
Все перечисленные датчики этой группы, кроме датчика двойного листа, представляют собой контактные конечные выключатели. Датчик двойного листа построен по принципу оптопары: светодиод испускает световое излучение через проходящую бумагу, а
фотодиод принимает остаточное световое излучение. По количеству
световой энергии, поглощенной бумагой, можно судить о подаче
двойного листа.
Датчики, отвечающие за безопасность обслуживающего персонала, контролируют закрытие дверей, наличие защитных кожухов и таким образом обеспечивают защиту персонала от контакта
с горячими, токоведущими и подвижными частями машины. При
открытии двери либо защитного кожуха блокируется работа машины. Датчики этой группы представляют собой конечные выключатели. При закрытии двери, механическая часть датчика прижимается дверью и тем самым замыкает цепь.
Кодировщик – устройство, которое синхронизирует все технологические операции машины. Кодировщик представляет собой
оптико-механический преобразователь угловых перемещений, отслеживающий текущее положение цилиндров печатной машины.
3.5. Информационно-вычислительная система «Скала»
3.5.1. Общие сведения
При проектировании системы управления энергоблоков была
принята концепция разделения каналов управления и контроля,
при этом контроль и представление информации по энергоблоку, а
также по системам защиты и управления, должна была обеспечить
централизованная информационная система.
Эта система под названием «Скала» была создана в НПП ВНИИЭМ. Для системы «Скала» специально был создан управляющий вычислительный комплекс УВМ В-3М с дублированным центральным
вычислителем, дублированными каналами управления, устройствами связи с объектом и общими периферийными устройствами.
Принятая архитектура системы «Скала» в сочетании с разработанными методами обеспечения живучести придали системе свой66
ство элегантной деградации: система при отказах дублированных
устройств не выходит из строя, а лишь несколько снижает свою общую производительность путем автоматической реконфигурации,
в первую очередь за счет отказа от решения менее важных задач,
обеспечивая минимальную вероятность потери основных функций.
Система выполняет следующие функции:
– измерение параметров по сигналам датчиков теплотехнического контроля, вводимых через каналы группового и индивидуального приема информации;
– сигнализацию на мнемосхеме о состоянии и положении механизмов, арматуры и агрегатов;
– сигнализацию на мнемосхеме и индивидуальных табло об отклонениях технологических параметров и неисправностях оборудования;
– сигнализацию на мнемотабло СУЗ об отклонениях поля энерговыделения от заданного значения (3 уровня) по сигналам от системы СФКРЭ;
– периодический контроль поканальных расходов воды реактора
по одной из семи пар уставок для каждого канала с выдачей сигналов об отклонениях на мнемотабло каналов и сигналов блокировок
в систему СУЗ по снижению расхода в каналах ТК и СУЗ с регистрацией отклонений на телетайпе;
– периодический контроль отдельных непосредственно измеряемых и расчетных индивидуальных параметров с выдачей сигналов
об отклонениях на мнемосхему и индивидуальные табло с регистрацией отклонений на телетайпе;
– индикацию по вызову персонала на цифровых показывающих
комплектах любого из непосредственно измеряемых системой технологических параметров, преобразованных в вычислительном комплексе, и индивидуальных расчетных технологических параметров;
– запись в систему или изменение хранящихся в системе значений уставок сигнализации, пределов измерения параметров;
– выдачу информации по запросу персонала на мнемотабло отклонений (МТО), мнемотабло каналов (МТК) и мнемосхему;
– периодический контроль поканальной температуры газа реактора по превышению общей уставки с выдачей сигналов отклонений на мнемотабло и регистрацией на телетайпе;
– регистрацию предыстории и развития аварийных ситуаций на
магнитной ленте с выдачей информации на быстродействующее печатающее устройство и перфоленту по запросу персонала и автоматически по сигналам срабатывания АЗ;
67
– периодический расчет технико-экономических показателей
с регистрацией на телетайпе;
– периодическую печать по запросу персонала значений любого из непосредственно измеряемых и индивидуальных расчетных параметров;
– печать групп параметров по запросу персонала;
– периодическую регистрацию на самописцах по запросу персонала любого из непосредственно измеряемых и индивидуальных
расчетных параметров;
– периодическую математическую обработку показаний радиальных и высотных датчиков системы СФКРЭ с контролем снижения коэффициента запаса по мощности и выдачей сигналов отклонений на МТК, регистрацией отклонений на телетайпе, а также
регистрацией результатов расчетов и исходных данных на печатающем устройстве и перфоленте по запросу персонала;
– периодический расчет запаса реактивности, паросодержаний,
запасов до кризиса;
– периодическую тестовую проверку работоспособности системы с выдачей световой и звуковой сигнализации и с регистрацией
на телетайпе;
– тестовую проверку работоспособности системы и ее основных
частей по запросу персонала с локализацией места неисправности.
Комплекс технических средств СЦК «Скала» состоит из вычислительного комплекса УВМ В-3М и комплекса оборудования связи
СЦК «Скала» с объектом. Комплекс оборудования связи СЦК «Скала» с объектом обеспечивает прием сигналов, характеризующих состояние объекта, а также выдачу управляющих сигналов в другие
системы автоматизации и на средства отображения информации,
расположенные на блоке щитового управления (БЩУ).
3.5.2. Структура системы «Скала-микро»
Функционально комплекс связи с объектом делится на следующие элементы:
– комплекс ввода-вывода параметров (КВВП);
– комплекс управления системой (КУС);
– комплекс индивидуальной сигнализации (КИС);
– комплекс мнемотабло отклонений (КМТО) – для первых шести комплектов системы (начиная с седьмого комплекта заменен на
комплекс мнемотабло каналов (КМТК);
– комплекс мнемотабло каналов (КМТК);
– комплекс стендового оборудования;
– устройство коммутации (УК).
68
Комплекс УВМ-ЗМ обеспечивает прием цифровых и аналоговых
сигналов, обработку получаемой информации, выдачу управляющих воздействий на другие устройства системы и выдачу информации персоналу с помощью телетайпов и устройств быстродействующей печати. Комплекс УВМ состоит из двух взаиморезервирующих
комплектов – А и В.
Комплекс КВВП обеспечивает прием и преобразование сигналов
от датчиков объекта и от других автономных систем автоматизации.
Комплекс КУС обеспечивает управление режимами работы системы и связь комплекса УВМ-3М с другими устройствами системы.
Комплекс КИС обеспечивает прием и обработку дискретных
сигналов, поступающих от датчиков (сигнализаторов) объекта и от
других автономных систем, и выдачу соответствующих сигналов
для представления информации на мнемосхемах и табло сигнализации, расположенных на БЩУ.
Комплекс КМТО (для первых шести комплектов системы) и заменивший его комплекс КМТК2 обеспечивает предоставление сигналов отклонений от уставок параметров поканального контроля
реактора.
Комплекс МТК-М № 1 обеспечивает предоставление информации о состоянии параметров поканального контроля реактора (по
выбору оператора) на мнемотабло каналов. Комплекс МТК-М № 3
обеспечивает сигнализацию от УВК В-3М отклонений параметров
на индивидуальных табло.
Головной образец системы «Скала» внедрен на первом энергоблоке Ленинградской АЭС в 1973г., а потом и на всех остальных
энергоблоках с реактором РБМК-1000. Последующая задача модернизации системы «Скала» была успешно решена на базе современных микросредств управляющей вычислительной техники МСУВТ
В10Р производства НПП ВНИИЭМ и ПЭВМ в промышленном исполнении. Созданная информационно-вычислительная система нового поколения – система «Скала-микро», позволила существенно
повысить безопасность АЭС с РБМК-1000 за счет повышения оперативности представления информации, реализации более сложных
и более точных расчетов технологических параметров и повышения
надежности реализации функций системы.
Система «Скала-микро» строится на основе следующих современных решений:
– объединение устройств системы на основе локальных вычислительных сетей (ЛВС) и интеграция с другими системами энергоблока с помощью цифровых интерфейсов;
69
– создание распределенной вычислительной среды достаточной
производительности для обеспечения оперативных расчетов и логической обработки информации;
– создание развитой системы информационной поддержки операторов энергоблока;
– повышение оперативности и глубины архивирования диагностической информации;
– дублирование каждого узла локальной вычислительной сети и сегментирования сети для обеспечения принципа единичного отказа;
– совершенствование расчетов энергораспределения по реактору;
– оперативный контроль достоверности информации;
– оперативный контроль системы в процессе ее функционирования и обеспечения информационной поддержки оператора системы;
– обеспечение возможности поэтапной модернизации системы
«Скала» с сохранением существующих кабельных связей с датчиками и сигнальными элементами;
– реализация автоматизированной метрологической поверки измерительных трактов;
– оперативная передача информации в отдел ядерной безопасности АС и в кризисный центр для обеспечения мониторинга технологического процесса энергоблока;
– создание и реализация методик верификации системы и валидации расчетных задач;
– обеспечение рабочего места для отладки новых алгоритмов на
действующем энергоблоке без выдачи несанкционированной информации оперативному персоналу.
В структуре выделена подсистема контроля расходов воды через каналы реактора, реализованная на базе контроллеров расхода
воды (КРВ), объединенных специализированной ЛВС, называемой
дистанционной контроллерной магистралью (ДКМ). Дистанционная контрольная магистраль управляется с помощью центрального
вычислительного комплекса (ЦВК), который собирает информацию
от всех КРВ и передает ее в локальную сеть верхнего уровня (ЛСВУ),
реализованную на основе протокола Ethernet; КРВ, обеспечивающие контроль расходов воды в технологических каналах реактора,
входят в состав системы аварийной защиты реактора по снижению
расходов в групповых коллекторах (АЗ РГК).
Микросистемы, предназначенные для контроля температурных
параметров (КТП), ввода дискретных сигналов (ВДС) и сбора информации от аналоговых датчиков (МСИ), подключены непосредственно к ЛСВУ.
70
Рис. 3.2. Картограмма мощностей ТК в режиме МТО
В структуре системы «Скала-микро» сохранены индивидуальные каналы управления сигнализацией на световых табло и мнемосхеме, как это было реализовано в системе СКАЛА. В новой системе используются модернизированные шкафы точек отклонений
(ТО-М) и управления мнемосхемой (МСХ).
Так, на рис. 3.2 изображен пример выдачи картограммы мощностей топливных каналов (ТК) в режиме МТО.
Кроме поканальных параметров программа ТКР отображает
ВСЕ индивидуальные параметры, имеющие отношение к реактору.
На рис. 3.3–3.4 представлены видеокадры, отображающие температуры металлоконструкций реактора, бетона и воздуха в приреакторных помещениях.
На рис. 3.5 представлен видеокадр, отображающий температуры
графита в кладке реактора, измеренные пятизонными термопарами.
Локальная сеть системы «Скала-микро» предусматривает доступ
к базе данных с рабочих станций станционной сети с защитой от
несанкционированной записи информации. Это позволило в отделе
ядерной безопасности станции и в Кризисном центре концерна «Росэнергоатом» оперативно получать информацию о ходе технологического процесса и осуществлять мониторинг работы энергоблока.
Кроме того, связь с общестанционной сетью обеспечивает возмож71
Рис. 3.3. Картограмма температур металлоконструкций реактора,
бетона и воздуха в реакторных помещениях
Рис. 3.4. Картограмма температур металлоконструкций реактора
72
Рис. 3.5. Картограмма температур графита
ность валидации расчетов энергораспределения с использованием
независимо реализованных алгоритмов расчета и отладку новых
алгоритмов на действующем энергоблоке.
73
Библиографический список
1. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров. М.: Мир,
1989. 335 с.
2. Прокунцев А. Ф., Юмаев Р. М. Преобразование и обработка информации с датчиков физических величин. М.: Машиностроение,
1992. 288 с.
3. Датчики внутренней информации робототехнических систем:
учеб. пособие / В. Н. Левицкий и др. ЛИАП. Л., 1990. 200 с.
4. Виноградов А. В. Методы обработки сигналов в информационноизмерительных системах. Модели сигналов и систем: учеб. пособие.
Л.: ЛИАП, 1986. 75 с.
5. Основы метрологии и электрические измерения: учебник / Б. Я. Авдеев и др.; ред. Е. М. Душин. 6-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат.
Ленингр. отд-ние, 1987. 481 с.
6. Датчики систем измерения, контроля и управления: межвуз.
сб. науч. тр. Пенза: Изд-во политехн. ин-та, 1990. 126 с.
7. Бирюков Б. Л., Воронин Р. П., Иванов Ю. П. Теория информационно-измерительных систем: прогр. и метод. указ. для студентов
заочной формы обучения. СПб.: ГААП, 1997. 41 с.
74
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие...........................................................................
3
1. Основы технических измерений.............................................
1.1. Основные термины и определения технических измерений
1.1.1. Этапы развития технических средств автоматизации..... 1.1.2. Методы стандартизации и структура технических
средств автоматизации........................................................ 1.2. Погрешности прибора и погрешность измерения
прибором.......................................................................... 1.2.1. Измерительные устройства ГСП. Сигналы
и параметры...................................................................... 1.2.2. Основные параметры датчиков.................................... 1.2.3. Погрешности ............................................................ 4
4
4
2. Универсальные и специальные измерительные средства............
2.1. Преобразователи перемещения...................................... 2.1.1. Классификация измерительных преобразователей......... 2.1.2. Резистивные измерительные преобразователи ............... 2.1.3. Тензорезистивные датчики ......................................... 2.1.4. Индуктивный преобразователь перемещения................. 2.2. Контактные методы и средства измерения температуры.... 2.2.1. Термометры сопротивления......................................... 2.2.4. Термоэлектронный преобразователь (термопара)............ 2.2.5. Термисторы.............................................................. 2.3. Бесконтактные методы и средства измерения
температуры...................................................................... 2.3.1. Тепловизоры............................................................. 2.3.2. Пирометры............................................................... 2.4. Емкостные датчики...................................................... 2.5. Индуктивные датчики.................................................. 2.5.1. Индуктивный датчик на дросселе................................. 2.5.2. Дифференциальные индуктивные датчики ................... 2.5.3. Трансформаторные датчики ........................................ 2.6. Индукционные датчики ............................................... 2.7. Пьезоэлектрические датчики......................................... 2.8. Оптические датчики..................................................... 2.8.1. Фотоэлектрические датчики положения....................... 2.8.2. Растровые оптические датчики положения ................... 2.9. Магнитооптические датчики......................................... 2.10. Магнитооптические датчики магнитного поля................ 2.11. Акустооптические датчики.......................................... 1. Акустооптический эффект Рамана-Ната............................ 2. Акустооптический эффект Керра...................................... 2.12. Электрооптические датчики......................................... 6
8
8
9
11
13
13
13
14
16
17
19
20
22
24
26
26
27
31
32
32
33
34
35
37
38
40
41
42
43
45
45
46
47
75
2.13. Расходомеры............................................................. 2.14. Вихревые расходомеры............................................... 48
51
3. Информационно-измерительные системы................................
3.1. Общие сведения об информационно-измерительных
системах........................................................................... 3.2. Структура информационно-измерительной системы......... 3.3. Назначение и виды информационно-измерительных систем....
3.4. Информационно-измерительные системы в полиграфии.... 3.4.1. Общие сведения......................................................... 3.4.2. Технологический процесс, реализуемый в печатной
машине E-Print 1000.......................................................... 3.4.3. Контролирующие и измерительные приборы в схеме
автоматизации печатной машины E-Print 1000...................... 3.5. Информационно-вычислительная система «Скала».......... 3.5.1. Общие сведения......................................................... 3.5.2. Структура системы «Скала-микро».............................. 53
63
66
66
68
Библиографический список.......................................................
74
76
53
56
58
60
60
61
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
3 041 Кб
Теги
lyashenko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа