4.2. Измерительные преобразователи

Основу нижнего уровня АСКУЭ составляют измерительные преобразователи с аналоговыми, частотными, импульсными или цифровыми выходами, осуществляющие непрерывно или с минимальным интервалом усреднения измерение параметров энергоучета по точкам учета [76, 77]. К аппаратуре нижнего уровня причисляют также счетчики и вычислители расхода энергоносителей и потребления энергии, имеющие выход на оборудование среднего уровня или непосредственно на ПК верхнего уровня. Поскольку в процессе получения контрольно-измерительной информации ключевая роль отводится датчикам, то целесообразно рассмотреть состав, принцип действия и функциональное назначение измерительных преобразователей (ИП).

Измерительные преобразователи – средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в другую физическую величину с целью получения измерительной информации, ее последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора сигнал на выходе ИП не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя в процессе измерения. Обязательное условие преобразования – сохранение в выходной величине информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование – единственный способ построения любых измерительных устройств – счетчиков потребления электроэнергии, воды, тепла, газа и др.

Структурная схема ИП показана на рис. 4.4. Чувствительными элементами ИП, обеспечивающими непосредственное получение измерительной информации на нижнем уровне АСКУЭ в точках учета расхода энергии и энергоресурсов, являются первичные измерительные преобразователи (ПИП) или иначе – датчики, сенсоры [74, 77, 80, 150]. Первичный измерительный преобразователь может быть законченным измерительным преобразователем или входить в конструктивно-функциональное объединение с вторичным (промежуточным, нормирующим) измерительным преобразователем (ВИП).

Р и с. 4.4. Структурная схема измерительного преобразователя

Вторичный измерительный преобразователь в основном выполняет функции нормирования, коррекции и преобразования выходных сигналов ПИП в сигналы, предназначенные для передачи, обработки или регистрации в других структурных элементах АСКУЭ. Вторичный измерительный преобразователь часто используется для получения нормированного электрического сигнала, если первичный является полностью механическим. Например, первичный измерительный преобразователь является преобразователем скорости движения газа по трубопроводу в скорость вращения крыльчатки измерительного преобразователя. Тогда в состав вторичного входит преобразователь параметров вращения в электрический сигнал.

Преобразователи для АСКУЭ имеют широкий ряд признаков, по которым, не претендуя на полноту, их можно классифицировать (рис. 4.5).

По виду используемой энергии в АСКУЭ практически применяются только электрические преобразователи. При этом учету подвергаются как активные параметры, связанные с измерением тепла, энергоносителей, электрических характеристик, так и пассивные. К пассивным относятся преобразования, требующие дополнительного источника энергии. Например, измерение сопротивления электрической изоляции требует внешнего источника тока. Преобразователи, характеризующие процесс, относятся к группе приборов, измеряющих спектральные характеристики, корреляционные функции и т.п.

Преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические используются в основном в качестве механических ПИП с естественным выходным сигналом при измерении расхода воды и газа.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические – самая многочисленная и распространенная группа датчиков в системах тепло-, водо– и газоснабжения. Их использование обусловлено, в первую очередь, тем, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, а электрические величины легко, быстро и точно преобразовать в цифровой код. Преобразователи электрических величин в электрические чаще всего используются при измерении параметров электроснабжения. До сих пор еще используются преобразователи электрических величин в неэлектрические – в индукционных электросчетчиках с механическим подсчетом числа оборотов диска.

Р и с. 4.5. Классификация измерительных преобразователей

Форма выходных сигналов датчиков определяется их предназначением. В электрической и тепловой части обнаруживаются различия по подключению устройств связи с объектом. Аналоговые сигналы в электрической части могут подаваться как от преобразователей, имеющих унифицированный выход (0-5 мА, 4-20 мА, ...), так и непосредственно от измерительных трансформаторов тока и напряжения (1 А, 5 А, 100 В) с кратностью тока при аварии до 60. Для систем контроля и управления тепловых и электрических сетей используются различные приборы и программно-технические комплексы. Так, фирма ASEA Brown Bovery (ABB) для тепловой части поставляет системы Procontrol-P, Master, а для электрической части – S.P.I.D.E.R. Фирма Siemens, соответственно, – Teleperm ME(MI, XP) и LSA [76]. При наличии специализированных многоканальных преобразователей в составе счетчиков, вычислителей и контроллеров можно использовать простые и дешевые датчики с естественными, параметрическими, генераторными, частотными или фазовыми выходными сигналами. Вместе с тем в настоящее время в АСКУЭ наблюдается устойчивый переход от использования датчиков с аналоговыми и импульсными выходными сигналами к ИП с цифровым выходом последовательного или параллельного порта.

Статическая характеристика измерительного преобразователя, или функция преобразования, – функциональная зависимость между входной х и выходной у величинами в установившемся режиме. Наиболее часто встречаемые статические характеристики датчиков представлены на рис. 4.6. Статическая характеристика может быть линейной, нелинейной, квантованной, гистерезисной и т.д. При этом необходимо отличать нелинейность как требуемую функциональную зависимость, например, экспоненциальную, логарифмическую, ступенчатую, – от нелинейности в качестве погрешности.

В общем случае уравнение преобразования для линейной статической характеристики имеет вид

, (4.3)

где К= К_s = – коэффициент преобразования или чувствительность; А и В – постоянные.

Чувствительность может выражаться в абсолютных или в относительных единицах. Порог чувствительности (К_{s пор}) – минимальное значение входного сигнала х, вызывающее заметное изменение выходного сигнала у.

г

Р и с. 4.6. Типовые статические характеристики преобразователей: а – линейная (1 – идеальная; 2 – реальная); б – смещенные (1 – по оси х, 2 – по оси у): в – нелинейная; г – квантованная (1 – идеальная; 2 – реальная, 3 – функция полной погрешности преобразования)

Если А=В=0, то график уравнения проходит через начало координат и ИП не имеет выходного сигнала холостого хода у0 и зоны нечувствительности [0, х0] (рис. 4.6, а). При В > 0 (А < 0) характеристика смещена относительно начала координат по оси абсцисс на величину выходного сигнала холостого хода у0 = B (рис. 4.6, б, прямая 1). При В < 0 (А > 0) характеристика имеет зону нечувствительности [0, х0], при изменении х в пределах которой у=0 (рис. 4.6, б, прямая 2). Для нелинейных характеристик (рис. 4.6, в) используют дифференциальный коэффициент преобразования, под которым понимают предел отношения выходной величины у к входной величине х, определяемый углом  наклона касательной к характеристике в рабочей точке:

=tg . (4.4)

Если на нелинейной характеристике выделить линейный участок, в пределах которого работает преобразователь, то разность между верхним и нижним значениями входного (выходного) сигнала определяет рабочий диапазон ∆р его изменения, а их отношение – динамический диапазон ∆дн (рис. 4.6, в):

∆_рх =х_к-х_н ; ∆_днх =х_к / х_н;

∆_ру =у_к-у_н ; ∆_дну =у_к / у_н . (4.5)

Идеальная функция квантования в цифровых ИП определяется выражением (рис. 4.6, г, линия 1)

, (4.6)

где К_s – номинальная функция преобразования (обычно К_s=1); Int[A] – функция, определяющая целую часть числа; при А0, при А<0.