Елементи систем автоматичного виробництва їх класифікація, основні характеристики та параметри. Датчики, перетворювачі, проміжні та виконавчі пристрої.
Вимірювання технічно здійснюються за допомогою вимірювальних перетворювачів, що використовують ті або інші фізичні принципи. На об'єкт вимірювання зазвичай встановлюється датчик, який складається з одного або декількох вимірювальних перетворювачів.
Датчик – це пристрій, що сприймає вимірюваний параметр та виробляє відповідний сигнал з метою передачі його для подальшого використання або реєстрації. Часто в технічній літературі поняття датчиків (pick up) і вимірювальних перетворювачів (sensor) між собою не розділяють й вимірювальні перетворювачі називають просто датчиками. Хоча з функціональної точки зору поняття вимірювального перетворювача й датчика співпадають, але в конструкторській практиці під датчиком розуміють первинний вимірювальний перетворювач, розміщений в корпусі, який оснащений пристроями для його установки та фіксації на об'єкті, а також кабелем для передачі сигналу й відповідними розйомами.
Таким чином, вимірювальне перетворення є віддзеркалення однієї фізичної величини за допомогою іншої фізичної величини або набору таких фізичних величин. Датчик, що виконує вимірювальне перетворення працює в реальних виробничих умовах експлуатації, часто дуже складних, пов'язаних з високим тиском й температурами при впливі агресивних середовищ. На датчик одночасно впливає велике число параметрів. Серед цих параметрів тільки один є вимірюваною величиною, а всі інші є зовнішніми параметрами, що характеризують виробниче середовище. Ці зовнішні параметри є в даному випадку перешкодами. Кожен датчик винен на тлі перешкод найкращим чином реагувати на вимірювану вхідну величину, виробляючи відповідну вихідну величину або код вихідної величини.
При побудові датчиків використовуються різні фізичні принципи, які в значній мірі визначають галузь раціонального застосування того або іншого датчика.
Параметричний датчик змінює який-небудь з своїх параметрів під впливом самої вимірюваної величини й потребує підключення до якого-небудь зовнішнього джерела енергії.
Генераторний датчик сам генерує вихідний сигнал й не потребує підключення до зовнішнього джерела енергії. Як приклади датчиків такого роду можна назвати різні п'єзоелектричні датчики тиску або тахогенераторі датчики швидкості обертання.
До параметричних датчиків відносяться:
• резистивні;
• індуктивні;
• трансформаторні;
• ємкісні.
До генераторних датчиків відносяться:
• термоелектричні;
• індукційні;
• п'єзоелектричні;
• фотоелектричні.
Стосовно датчиків використовуються наступні основні визначення й терміни.
Функція перетворення вимірювального перетворювача – це залежність вихідної величини даного вимірювального перетворювача від вхідної, що задається або аналітичним виразом, або графіком чи таблицею.
Чутливість перетворювача – це величина, що показує, наскільки зміниться вихідна величина при зміні вхідної величини на одну одиницю. Для термопари одиницею чутливості буде мВ/К (милівольти на 1 градус Кельвіна), для регульованого електродвигуна – с-1/В (оберти в секунду на 1 вольт) тощо.
Роздільна здатність перетворення – це найменша зміна вхідного сигналу, яка може бути зміряна перетворювачем.
Відтворюваність є мірою того, наскільки близькі один до одного результати вимірювань однієї і тієї ж фізичної величини.
Прецизійність є мірою того, наскільки близькі один до одного результати аналогічних вимірювань.
Точність (погрішність) вимірювання показує, наскільки вказане датчиком значення параметра близьке до його дійсного значення. Зазвичай точність задається у відсотках від повної шкали вимірювального приладу та є деякою абсолютною величиною.
Якщо прилад використовується не за призначенням, то виникають помилки застосування.
В більшості випадків при вимірюванні механічних величин, навантаження сприймається не самим перетворювачем, а пружним елементом, який під впливом вимірюваної величини деформується.
Вхідний величиною у такому разі може бути зосереджена сила, крутний момент, тиск газу або рідини тощо. Вихідним сигналом може бути як безпосередньо сприймана людиною інформація, так і електричний параметр.
Розрізняють статичну й динамічну характеристики датчика.
Під статичною характеристикою датчика розуміють залежність між сталими значеннями вхідної та вихідної величин.
Під динамічною характеристикою датчика розуміють поведінку вихідної величини під час перехідного процесу у відповідь на миттєву (ступінчасту) зміну вимірюваної вхідної величини.
Якщо в статичній характеристиці датчика будується залежність тільки між значенням вихідної величини Y у відповідь на зміну вхідної величини X, то в динамічній характеристиці датчика бере участь параметр часу t і така характеристика є залежністю виду Y= Y(t).
Очевидно,
що стале значення вихідної величини
датчика є те значення, якого набуває
вихідна величина після закінчення всіх
перехідних процесів, тобто при t >
.
Залежність між сталими значеннями вхідної та вихідної величин стосовно датчиків називається тарировочною кривою.
Різні види статичних характеристик датчиків з пропорційним виходом приведені на рис. 1.1.
На рис. 1.1, а приведена ідеалізована статична характеристика такого датчика. Нульовому значенню вхідної величини в цьому випадку відповідає нульове значення величини на виході.
На рис. 1.1, б приведена ідеалізована статична характеристика датчика, із зоною нечутливості. У такого датчика зміна вхідної величини до значення, яке називається порогом чутливості, не веде до появи якого-небудь сигналу на виході.
На рис. 1.1, в приведена ідеалізована статична характеристика датчика із зоною нечутливості та насиченням виходу.
Рис. 1.1. Статичні характеристики датчиків з пропорційним виходом:
а – ідеалізована статична характеристика; б – ідеалізована статична характеристика, із зоною нечутливості; в – ідеалізована статична характеристика із зоною нечутливості і насиченням; г – ідеалізована статична характеристика із зоною нечутливості, насиченням та гістерезисом
У такого датчика, після досягнення порогу чутливості вихідна величина росте пропорційно зростанню вхідної величини, але до деякого граничного значення , яке називається значенням насичення вихідної величини. Після досягнення деякого значення подальше зростання вхідної величини X не приводить ні до якого зростання Y.
Нарешті, на рис. 1.1, г приведена статична характеристика ідеалізованого датчика, із зоною нечутливості на вході, з насиченням на виході та з петлею гістерезису.
Гістерезисом називається відмінність між характером відповідності вихідної та вхідної величин при прямому та зворотному ході зміни вхідної величини. Практично це виражається в тому, що значення вихідної величини при зростанні вхідної величини не співпадає з її ж значеннями при зменшенні вхідної величини, а отже, за наявності гістерезису чутливість датчика при «прямому» та «зворотному» ходах неоднакова. Відмітимо, що значення вихідної величини при зростанні вхідної величини може як «випереджати», так і «відставати» в порівнянні зі змінами вихідної величини.
У першому випадку говорять про позитивний гістерезис, а в другому – про негативний. Абсолютна величина різниці в значеннях X при зростанні і убуванні вхідної величини, при яких на виході має місце одне й теж значення, називається шириною петлі гістерезису. Якщо ширина петлі гістерезису настільки велика, що тарировочна крива датчика заходить в область негативних значень вхідної величини, то це означає, що Y= 0 при Х < 0, а при X =0 має місце Y> 0. У такому разі говорять, що даний елемент володіє «пам'яттю», оскільки на його виході залишається ненульове значення й після того, як на його вході встановиться нульове значення. Але це матиме місце лише в тому випадку, якщо перед цим величина на вході здійснила цикл зростання з подальшим зменшенням хоч би до нуля. Якщо ж такого циклу на вході не відбувалося, то на виході датчика продовжуватиме зберігатися нульове значення. Іншими словами, спостерігаючи за станом виходу датчика в даний момент, можна зробити висновок про те, що відбувалося на його вході в попередні моменти. Це і є те, що прийнято називати «пам'яттю».
Проте в реальному житті практично не існує ідеалізованих датчиків з пропорційною (лінійною) залежністю між значеннями вихідної та вхідної величин. Це означає, що приріст вихідної величини у відповідь на одиничний приріст вхідної величини не є постійним у всьому інтервалі зміни вимірюваної величини. Може створитися така ситуація, коли на початку зміни вхідної величини зміни, що відбулися в ній, приводитимуть до істотних змін вихідної величини, а в кінці зміни вхідної величини зміни, що відбулися в ній, приводитимуть до малих змін вихідної величини. Може мати місце і зворотна картина. У ряді випадків для зручності подальшого аналізу фактична нелінійна статична характеристика датчика в певних межах вимірювання і з певним впливом на покази цього датчика може бути приблизно замінена якимсь лінійним еквівалентом. У певних умовах така операція є допустимою і тоді вона носить назву лінеаризації.
У ряді випадків нелінійний характер статичної характеристики датчика не є шкідливим, а може бути ефективно використаний для різних завдань автоматизації. Прикладом є датчик із статичною характеристикою релейного типу. При зростанні вхідної величини, до того як вона досягне порогу спрацьовування, на виході датчика спостерігатиметься нульове значення вихідної величини, а як тільки вхідна величина досягне порогу спрацьовування, вихідна величина відразу ж («клацанням») досягне своєї максимальної величини і при подальшому зростанні вхідної величини зростати більше не буде. Прикладом може слугува так зване двопозиційне регулювання температури в звичайному домашньому холодильнику. Як тільки температура усередині холодильника досягне заданої величини, датчик температури (термостатат) включить електромотор, хладоагент, що прокачує (фреон). При пониженні температури електромотор відключається й температура всередині холодильника перестає знижуватися.
Раніше розглядалися статичні характеристики таких датчиків, у яких вхідна величина, зростаючи й зменшуючись, проте залишалася більшою нуля. Як правило, це явище має місце фактично при змінах параметрів технологічних процесів виробництва деталей машинобудування. Наприклад, це характерно при вимірюванні переміщень робочих органів верстатів, тиск в гідросистемах або температури в гартівних печах. Проте у ряді випадків, наприклад при вимірюванні фактичних відхилень розміру деталі від номіналу, можливе відхилення вимірюваної величини як в позитивну, так і в негативну сторону. Вихідна величина при цьому може виявлятися пропорційною модулю зміни вхідної величини (або ж залежною від нього нелінійно) як без гістерезису, так і з гістерезисом.
Зазвичай для порівняння за рівних умов динамічних характеристик різних датчиків вважають, що на їх вході поступають дії одного і того ж вигляду, а саме: ступінчасті.
Це означає миттєве зростання вхідної величини. Практично це відповідає, наприклад, включенню напруги на електродвигун.
Для динамічних характеристик датчиків характерні три випадки. Перший випадок відповідає частому запізнюванню в датчику, коли його вихідна величина просто повторює (у певному масштабі) вхідну величину, запізнюючись по відношенню до неї на постійну величину.
Другий випадок відповідає аперіодичному характеру перехідного процесу, коли вихідна величина поступово наближається до нового сталого значення монотонним чином (монотонно зменшуючись або ж монотонно зростаючи).
Третій випадок відповідає коливальному характеру перехідного процесу, коли вихідна величина поступово наближається до нового сталого значення, здійснюючи за час перехідного процесу одне або декілька коливань, перевищуючи на якийсь час нове значення вихідної величини, а потім повертаючись до нього.
Динамічні процеси в датчиках характеризуються показниками якості перехідного процесу.
До їх числа відносяться:
• час завершення перехідного процесу;
• величина перевищення протягом перехідного процесу вихідного параметра над його новим сталим значенням;
• число коливань вихідної величини за час завершення перехідного процесу.
Використовується також інтегральний показник якості перехідного процесу, що зазвичай є підінтегральну площею кривої перехідного процесу.
Для датчиків виробничих параметрів важливими характеристиками є також діапазон вимірювань, що є різницею між допустимими максимальним й мінімальним сталими значеннями вимірюваної величини, а також смуга пропускання, що є різницею між максимальною й мінімальною частотами зміни вхідної величини, для роботи з якими призначений даний датчик.
Що стосується погрішностей вимірювань виробничих параметрів, що неминуче виникають в будь-яких практичних системах автоматизації, то їх прийнято класифікувати таким чином:
• систематичні;
• прогресуючі;
• випадкові;
• погрішності застосування.
Проміжні елементи автоматичних пристроїв. До елементів цієї групи відносять підсилювачі та реле-перетворювачі.
Підсилювачі застосовують для підсилення сигналу датчика, якщо величина цього сигналу недостатня для приведення в дію виконавчого пристрою.
В автоматичних пристроях можуть застосовуватись механічні, гідравлічні, пневматичні та електричні підсилювачі.
Реле застосовують для підсилення, перетворення і затримки сигналу, який надходить на виконавчий пристрій, тобто для автоматичних змін у керуючих системах. Реле завжди фіксує два крайні положення (наприклад, ввімкнено – вимкнено; відкрито – закрито) або позиції, тому називається двопозиційним.
Залежно від використовуваної енергії реле поділяються на електричні, гідравлічні і пневматичні. Проте найбільш поширені електромагнітні реле.
Виконавчі механізми в системах переробки та використання технологічної інформації призначені для безпосередньої дії на регульований процес або через регулюючий орган.
Виконавчі механізми обов'язково містять виконавчі серводвигуни різних типів та різноманітної фізичної природи. Крім того, містять також різні датчики, пристрої посилення та перетворення інформації, пристрої перемикачів та пристрої зворотнього зв'язку.
Виконавчі механізми або сервоприводи в загальному випадку включають механізми підсилення, перемикачі та виконавчі механізми.
Виконавчі механізми. За видом дії на стан системи автоматизації виконавчі механізми прийнято підрозділяти на силові та параметричні.
Силові виконавчі механізми створюють на своєму виході силу або момент, які однозначно визначають відповідне положення робочого органу.
Параметричні виконавчі механізми призначені для зміни параметрів, що характеризують даний робочий орган.
Основними визначальними характеристиками виконавчих механізмів є:
• швидкодія;
• точність;
• робочий діапазон;
• діапазон робочих частот;
• максимальна корисна потужність;
• максимальне та номінальне навантаження;
• пускове та робоче навантаження;
• потужність, необхідна для керування;
• коефіцієнт корисної дії;
• ресурс роботи.
Якщо говорити про механічні переміщення, то цим вимогам в найбільшій мірі відповідають гідроприводи (поступального, обертального та поворотного руху). Там, де потрібне особливо висока швидкодія, застосовуються пневматичні та пневмоелектричні приводи.
У електроприводах допоміжних механізмів використовують дво- та трифазні асинхронні нерегульовані двигуни, а також крокові двигуни та двигуни постійного струму.
У кожному конкретному випадку автоматизації при виборі варіанту виконавчого механізму розробник встановлює свої пріоритети відповідно тих або інших перерахованих чинників.
Сервоприводи. Сервоприводи прийнято підрозділяти на приводи з поступальним та обертальним рухом. Сервоприводи з обертальним рухом, у свою чергу, прийнято підрозділяти на сервоприводи з постійною або пропорційною швидкостями.
При конструюванні або виборі сервоприводів доцільно використовувати одне яке-небудь джерело енергії: заводська електромережа та пневмомережа, а також застосовувати керуючі дії на сервопривід який-небудь однієї форми, тобто або електричні, або гідравлічні, або пневматичні. Проте це не завжди практично вдається. Саме цим й пояснюється широке розповсюдження різного роду комбінованих сервоприводів: електрогідравлічних, електропневматичних та пневмогідравлічних.
Вихідним параметром виконавчих пристроїв в технологічному устаткуванні машинобудівних виробництв, як правило, є переміщення того або іншого робочого виконавського органу. За характером переміщення, що створюється виконавчим пристроєм, всі ці пристрої можуть бути розподілені на приводи поступального, обертального або поворотного руху.
Залежно від фізичної природи використовуваної при цьому енергії кожний з названих раніше виконавчих пристроїв може бути електричним, гідравлічним або пневматичним.
Електричні виконавчі пристрої, у свою чергу, поділяються на виконавчі пристрої, що використовують електричні серводвигуни та виконавчі пристрої, що використовують електромагніти.
Відповідна класифікація виконавчих пристроїв приведена на рис. 1.
Н
Виконавчі пристрої
