Общие положения

При создании измерительных устройств, регуляторов и других средств автоматизации предусматривается их стандартизация в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). Последняя создана для экономически и технически целесообразного решения проблемы комплексного обеспечения техническими средствами систем контроля и управления различными производственными объектами. Основной технической базой современных автоматизированных систем управления технологическими процессами является ГСП, выполненная в виде совокупности изделий, предназначенных для получения, обработки и использования информации.

Создание и развитие ГСП осуществляется на основе следующих принципов: унификации, агрегатирования, формирование гибких перестраиваемых компонентов системы. При этом обеспечивается совместимость средств контроля и управления - информационная (согласованность сигналов связи), конструктивная, метрологическая и эксплуатационная.

Изделия ГСП строятся на основе базовых конструкций с унифицированными структурами, сигналами, источниками питания, конструктивными параметрами.

В ГСП стандартизованы параметры входных и выходных сигналов и источников энергии, элементы, блоки и модули приборов и устройств, их присоединительные, габаритные и монтажные размеры. В нормализованный ряд приборов и средств автоматизации входят первичные преобразователи и измерительные приборы; преобразователи для получения нормированных сигналов; регуляторы; функциональные и логические блоки; запоминающие устройства; вторичные приборы; исполнительные устройства и др.

Для передачи информации от средств её получения к устройствам управления и от них к исполнительным устройствам, а также для обмена информацией между устройствами управления наибольшее распространение получили пневматические сигналы - () .

По роду энергии, используемой для передачи информации и команд управления, в ГСП имеются три ветви:

- электрическая, - устройства которой обладают высокой точностью, быстродействием, обеспечивают большую дальность передачи информации;

- пневматическая, - устройства которой характеризуются безопасностью работы во взрывоопасных средах, высокой надёжностью в тяжелых условииях работы;

- гидравлическая, - устройства которой обеспечивают точные перемещения исполнительных органов и большие перестановочные усилия.

В ГСП входят также приборы и регуляторы прямого действия. Это устройства, использующие энергию той среды, параметры которой они измеряют и регулируют.

По функциональному признаку технические средства в ГСП подразделяются на следующие группы:

1) Средства получения информации о состоянии объекта управления. К ним относятся первичные измерительные преобразователи (датчики), измерительные приборы и преобразователи, которые вместе с нормирующими устройствами, формирующими унифицированный сигнал, образуют устройства для измерительной информации. Устройства этой группы предназначены для преобразования измеряемой физической величины для восприятия, передачи и обработки сигнала измерительной информации.

2) Средства приёма, преобразования и передачи информации. К этой группе относятся различные преобразователи сигналов и кодов, коммутаторы измерительной цепи, шифраторы и дешифраторы, согласованные устройства, а также устройства для дистанционной передачи, телеизмерения и телеуправления. Технические средства этой группы используются для приёма преобразования и передачи сигналов, содержащих измерительную информацию и несущих команды управления.

3) Средства обработки информации, формирования команд управления, представления информации операторам. В эту группу, называемую центральной частью ГСП, входят: функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, анализаторы сигналов, запоминающие устройства, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства.

4) Средства использования командной информации для воздействия на объект управления. Это исполнительные устройства, исполнительные механизмы, усилители мощности и вспомогательные устройства к ним, регулирующие органы.

Устройства первой и четвертой групп непосредственно взаимодействуют с объектом управления.

В системах автоматического управления для измерения (регистрации) текущих значений величин технологических процессов используются различные измерительные устройства; к ним относятся измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Под измерением понимают нахождение значения физической величины опытным путем с использованием специальных технических средств.

Средство измерения, предназначено для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называются измерительными приборами.

Средство измерения, вырабатывающее сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования обработки и хранения, но не позволяющее наблюдателю непосредственно воспринимать этот сигнал, называют измерительными преобразователями.

Кроме того, в измерительной технике используют понятия: первичный измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, и передающий измерительный преобразователь, который предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации.

По форме выхода все измерительные устройства делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных устройствах выходом является непрерывная по назначению выходная величина.

Обычно это перемещение указателя по шкале прибора, или пера, по диаграммной бумаге регистрирующего устройства. В цифровых измерительных устройствах измеряемая величина представляется в дискретной форме как результат измерения, выраженный числом или кодом. Данные устройства обладают высокой точностью, чувствительностью, быстродействием.

Измерительные устройства могут иметь самостоятельное значение, когда применяются только для текущего контроля технических величин; их можно также использовать и в качестве элементов систем автоматического управления.

Вследствие несовершенства методов измерений и самих измерительных приборов получаемые результаты несвободны от искажения. Для определения точности измерений необходимо знать погрешность измерительного устройства при данном измерении.

Отклонение показаний измерительного устройства от истинного значения величины характеризуется его погрешностью.

Погрешность средств измерения при нормальных условиях называют основной погрешностью.

Погрешности выражаются в виде абсолютных и относительных величин.

Разность между показаниями измерительного прибора и истинным значением измеряемой величины есть абсолютная погрешность. Поскольку истинное значение нельзя установить, в измерительной технике используют так называемое действительное значение, измеренное образцовым прибором.

Таким образом, абсолютная погрешность представляет собой разность:

(2.1)

где - показание измерительного прибора;

- действительное значение измеряемой величины.

Измерительный прибор характеризуется относительной погрешностью, определяемой по формуле:

(2.2)

и приведенной погрешностью, под которой понимают отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению , выраженное в процентах:

(2.3)

где N - нормирующее значение равное диапазону шкалы измерительного прибора.

В ряде случаев шкалы измерительных приборов строят в безразмерных, или относительных единицах. Такие приборы градуируют, то есть экспериментально делениям шкалы прибора придают значения, выраженные в установленных единицах измерения.

Класс точности средств измерения представляет собой его обобщенную характеристику. Для технических измерительных приборов класс точности устанавливают по заранее заданной допускаемой основной приведенной погрешности. По её величине измерительные приборы делят на классы точности от 0,05 до 4,0.

Наряду с указанными величинами работа измерительного устройства характеризуется сходимостью измерений и чувствительностью. Сходимость измерений характеризует близость одних результатов измерений другим, выполняемым в тех же условиях. Чувствительность измерительного прибора представляет собой отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины :

(2.4)

Порог чувствительности – это наименьшее изменение измеряемой величины, способное вызвать минимальное изменение показаний измерительного устройства.

Большое влияние на процесс измерения оказывают динамические свойства измерительных устройств. Поведение измерительных устройств в динамическом режиме зависит от их внутренней структуры и входящих в них элементов и определяется инерционностью, которая характеризуется постоянной времени переходной характеристики; запаздыванием, которое определяется промежутком времени от момента изменения измеряемой технологической величины до начала изменения выходной величины измерительного устройства, а также минимальным временем изменения выходной величины в пределах диапазона её изменения.

Переходя непосредственно к изучению элементов и устройств пневмоавтоматики, рассмотрим некоторые понятия гидро- и пневмодинамики.

В устройствах и системах пневмоавтоматики в качестве рабочего тела используют сжатый газ, чаще всего воздух.

Газ в такой же мере, как и жидкость, относится к числу "флюидов", то есть текучих сред, и поэтому к нему приложимы понятия гидродинамики. Рассмотрим основные положения, относящиеся к движению жидкостей и газов.

Заметим, что в движении жидкостей и газов, по крайней мере, в том аспекте, который нас интересует, можно выделить много общих черт. Раскроем основные понятия гидродинамики.

Важнейшим свойством жидкости является её практическая несжимаемость. Это значит, что во всех приложениях мы можем принимать плотность жидкости постоянной при заданной температуре.

Плотность (масса единицы объема ) жидкости характеризуется отношением .

Важным свойством жидкости является её вязкость, характеризуемая обычно кинематическим коэффициентом вязкости , который имеет размерность и в интервале температур от 30 до 100°С имеет империческую формулу: , где и - кинематические коэффициенты вязкости при температурах и 50°С; - коэффициент, зависящий от . Другим коэффициентом вязкости является динамический коэффициент: , где - начальный динамический коэффициент вязкости при ( - атмосферное давление) и ; и - коэффициенты, характерные для выбранного типа жидкости и температурного диапазона.

Для характеристики сил, которые действуют на жидкость (газ) пользуются понятием давления , которое определяется, как нормальная сила, приходящаяся на единицу площади. Размерность давления в Международной системе единиц - . Название единицы давления - Паскаль ();

.

Давления в любых точках объема жидкости (газа) принимаются одинаковыми, а значение нормальной силы , приложенной со стороны жидкости к той или иной поверхности, определяют произведением давления на площадь этой поверхности: . При изучении потоков жидкостей и газов вводят понятие живого сечения потока. Живым сечением потока называют поверхность в пределах потока, нормальную к отдельным его структурам.

Гидравлическим радиусом для потока, называют отношение площади живого сечения к его периметру :

(2.5)

Объем жидкости , протекающий через живое сечение в единицу времени, называется объемным расходом , или просто расходом. Наряду с объемным расходом нередко пользуются понятием массового расхода , а иногда и весового расхода , где - плотность жидкости; - ускорение свободного падения. Средняя скорость потока определяется по формуле: .

Ламинарным называют такой режим течения потока, когда он движется параллельными слоями, не перемешиваясь. Для ламинарного течения в круглой трубе характерен параболический закон распределения скоростей от нуля у стенок трубы, до максимального значения - в центре.

При этом средняя скорость:

(2.6),

а отношение средней скорости к максимальной равно 0,5. Это отношение характеризует неравномерность эпюры скоростей.

Турбулентным называется такой режим течения, когда частицы жидкости перемешиваются между собой и имеют завихрения в потоке. Благодаря сильному перемешиванию жидкости при турбулентном течении, скорости в разных точках живого сечения выравниваются, а эпюра скоростей соответствует логарифмическому закону с показателем неравномерности скоростей , зависящим от степени турбулизации, что по меньшей мере в 1,5 раза превосходит соответствующий показатель для ламинарного течения.

Таким образом, турбулентное течение жидкости (газа) в определенном смысле приближается к движению твердого тела, все точки которого движутся с одинаковой скоростью и .

Вышесказанное определенно нуждается в разъяснении условий, при которых тот или иной из перечисленных режимов течения может иметь место. Режим течения зависит от многих факторов, важнейшие из которых - вязкость жидкости, скорость течения, конфигурация трубопровода и степень шероховатости его внутренней поверхности. Наиболее распространенным количественным критерием режима течения является так называемое число Рейнодьдса

(2.7)

где - характерный линейный размер, в качестве которого обычно фигурирует учетверенный гидравлический радиус , а для круглых - их внутренний диаметр.

Считается, что для чисел Рейнодьса в случаях круглых гладких труб практически всегда имеет место ламинарное течение.

При больших числах может существовать как ламинарный, так и турбулентный режим, и здесь достоверны лишь экспериментальные данные в каждом конкретном случае. Вероятность существования турбулентного режима возрастает по мере увеличения . Объясняется это тем, что ламинарное течение здесь неустойчиво и, будучи турбулизовано каким-либо фактором, например встряской, уже не восстанавливается даже после устранения этого фактора.

Лишь при режим течения может быть только турбулентным.

До сих пор речь шла о течении жидкости на однородных участках трубопроводов, представляющих собой равномерно распределенные гидравлические сопротивления. На таких участках по всей их длине течение не меняет своего характера, а потери энергии определяются в основном трением. На другом полюсе по отношению к распределенным сопротивлениям находятся сосредоточенные гидравлические сопротивления, или, как их чаще называют, местные сопротивления.

В местных сопротивлениях даже в стационарном режиме происходит постоянное изменение характера течения на входе и на выходе из них, а также существенно влияние инерционных сил и сил деформации, вызывающих так называемое "мятие" потока. Для местных сопротивлений справедливо соотношение:

(2.8)

где - коэффициент потерь местного сопротивления, зависящий от его конструкции и режима течения жидкости;

- средняя скорость потока после местного сопротивления;

- плотность жидкости (газа).

Если местное сопротивление выполнено в виде сужения канала, то на входе в него наблюдается ускорение жидкости, а на выходе, напротив, замедление. Это явление было естественно ожидать, так как ввиду практической не сжимаемости жидкости объем её , втекающий в сужение в единицу времени, должен быть равен объёму жидкости , вытекающему из него за то же время, если, конечно, местное сопротивление не обладает свойством изменять свои размеры. Таким образом, всегда , или

(2.9)

где и - площади соответствующих живых сечений;

и - средние скорости потока в них.

Данное уравнение называется уравнением неразрывности потока, а из него следует количественное подтверждение высказанного ранее предположения об изменении скорости течения при входе в сужение канала и при выходе из него:

(2.10)

Из уравнения неразрывности следует, что средние скорости обратно пропорциональны площадям соответствующих живых сечений.

Определим теперь энергию жидкости, протекающей под давлением со скоростью через какое-либо сечение трубопровода, находящиеся на высоте над горизонтальной плоскостью, принятой за начало отсчета. Очевидно, что потенциальная энергия жидкости в этом сечении будет слагаться из энергии положения, зависящей от координаты , и энергии внешнего давления , под которым находится жидкость. Энергия положения единицы объёма:

(2.11)

где - вес единичного объема.

Таким образом, потенциальная энергия единицы объема жидкости в рассматриваемом сечении:

Кинетическая энергия единицы объема:

(2.12)

И тогда, согласно закону сохранения энергии, который требует постоянства полной энергии, можем записать

Если теперь все члены последнего уравнения разделить на , то получим уравнение Бернулли, имеющее фундаментальное значение в гидравлике:

(2.13)

В устройствах, работающих при высоких давлениях и скоростях течения, влиянием веса жидкости обычно пренебрегают, тогда

(2.14)

Уравнение Бернулли позволяет описать целый ряд явлений имеющих место в гидравлике. Определим, например, давление, оказываемое текущей жидкостью на стенки трубопроводов. Согласно (2.14), это давление должно быть на величину меньше статического, то есть того давления, которое было бы приложено к стенкам в случае неподвижной жидкости, находящейся под давлением той же самой внешней силы.

Так как принципиально возможно , то давление на стенки может стать меньше наружного давления и появляется отрицательный перепад давления на стенке. Это означает, что быстро текущая жидкость не только не склонна вытекать из всякого рода щелей, образующихся из-за дефектов уплотнения, но, напротив, может засасывать сквозь эти щели окружающую трубопроводы среду. Такой эффект используют в водоструйных насосах и пульверизаторах. Кроме того, согласно принципу неразрывности потока (2.9), скорость течения должна возрастать в сужениях трубопровода и, следовательно, давление на стенки в сужениях должно быть меньше давления на стенки в более широких частях трубопровода. Это положение известно как принцип Вентури.

В устройствах и системах пневмоавтоматики в качестве рабочего тела используют сжатый воздух. Воздух относится к числу "флюидов", то есть текучих сред, и поэтому к нему приложимы все изложенные выше понятия. Под "газом" будем в дальнейшем понимать газ, далекий от состояния сжатия, что характерно для режимов работы устройств пневмоавтоматики. Постепенность и плавность перехода заставляют предполагать, что жидкость и газ имеют много общих черт в формах движения. В частности, важнейшим для них свойствами являются способность передавать давление во всех направлениях и текучесть.

Однако между жидкостью и газом есть некоторые различия. Почти все они проистекают из одного свойства газа - свойства сжиматься под действием внешнего давления.

Это значит, что плотность газа не остается постоянной при заданной температуре.

Достаточно очевидно, что с увеличением давления плотность газа возрастает, а с уменьшением давления – снижается. Последовательное изменение параметров газа при переходе из одного состояния в другое называют термодинамическим процессом.

При сжатии газа в условиях, когда температурное взаимодействие с окружающей средой отсутствует, происходит его разогревание, а при расширении - охлаждение.

В качестве параметров, определяющих состояние газа, используют его плотность (удельный вес), давление и температуру.

Обычно при анализе устройств и систем промышленной пневмоавтоматики сжатый под избыточным давлением воздух рассматривают как идеальный газ, у которого отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а сами молекулы являются материальными точками, не имеющими объёма.

Уравнение состояния идеального газа характеризуется уравнением Клайперона - Менделеева:

(2.15)

где и - соответственно объём и масса газа;

- газовая постоянная;

- абсолютное давление;

- абсолютная температура.

Значение определяется только физическими свойствами газа, так как газовая постоянная есть работа расширения 1кг массы газа при нагревании его на 1° при постоянном давлении.

Газовая постоянная несколько зависит от относительной влажности газа, но для практических приложений влиянием влажности газа на пре-небрегают.

Представление рабочего тела систем пневмоавтоматики в виде идеального газа является допущением с целью упростить составление математических моделей происходящих процессов. Однако практика разработки пневматических устройств, использующего давление в сети до 1Мпа, показывает, что такое допущение правомерно и применение (2.15) дает удовлетворительные совпадения результатов теории и эксперимента.

Ситуация меняется, когда в цепи питания давление доходит до 10Мпа и выше (например, в самолетостроении и в специальных отраслях). Здесь уже используют при разработке математических моделей понятие реального газа, принципиальным отличием которого от идеального газа является наличие сил внутреннего трения.

Уравнение состояния реального газа характеризуется уравнением Ван-дер-Ваальса:

(2.16)

где и - поправочные коэффициенты.

При уравнение (2.16) видом меняется в уравнение Клайперона (2.15).

При описании термодинамических процессов часто пользуются понятием теплоёмкости и внутренней энергии. В ряде случаев удобнее пользоваться понятием удельной теплоёмкости , характеризующий количество теплоты, необходимое для нагревания массы газа на один градус. При анализе работы устройств пневмоавтоматики теплоёмкость принимают как постоянную величину, которая не зависит от изменения объёма и давления.

Сумма потенциальной и кинетической энергии молекул газа составляют внутреннюю энергию газа.

В соответствии с первым законом термодинамики подведенная к газу (единице массы газа) теплота расходуется на изменение внутренней энергии газа и на совершение внешней работы . Следовательно, в дифференциальной форме записываем:

(2.17)

Для удельных значений выражение (2.17) переписываем в виде:

(2.18)

где - удельное приращение теплоты;

- удельное изменение внутренней энергии;

- удельное изменение внешней работы.

Внешняя работа совершается при изменении объёма газа. При постоянном объёме газа () и из (2.18) имеем:

(2.19)

Такой процесс () называется изохорным и характеризуется тем, что вся подведенная тепловая энергия идет на изменение внутренней энергии газа. В свою очередь, для идеального газа внутренняя энергия характеризуется только кинетической энергией его молекул.

Уравнение изохорного процесса для идеального газа при двух его произвольных состояниях имеет вид:

(2.20)

Запишем (2.20) в общем виде: . Это выражение называется законом Шарля. Следовательно, при нагревании газа в замкнутом объёме () его давление повышается, а при охлаждении понижается пропорционально температуре газа.

Пусть благодаря внешнему давлению, приложенному к поршню, в замкнутом объёме поддерживается постоянное давление: . Нагреем данный объём газа. В результате его расширения поршень переместится на величину , совершая при этом внешнюю работу. Такой процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарным.

На основании (2.18) имеем:

(2.21)

Таким образом, при изобарном процессе подведенная тепловая энергия расходуется на изменение внутренней энергии газа и на совершение работы. Запишем (2.21) для общего случая: , где - удельный объём газа. Данное выражение называется законом Гей-Люссака.

Процесс сжатия и расширения газа при неизменной его температуре () называется изотермическим процессом. Изотермический процесс будет тогда, когда одновременно с подводом теплоты газ в объёме под поршнем расширяется таким образом, что его температура в ходе процесса остается постоянной. Следовательно, внутренняя энергия идеального газа при этом не изменяется (), а вся теплота идет на совершение внешней работы. Последнее следует из закона сохранения энергии (2.18), который для изотермического процесса записывается в дифференциальной форме:

(2.22)

Из уравнения состояния (2.15) получаем уравнение изотермического процесса ():

(2.23)

или , то есть заданной массы газа данный процесс характеризуется постоянством произведения давления на занимаемый объём (закон Бойля-Мариотта).

Если процесс изменения объёма газа происходит без теплообмена с окружающей средой, то есть , то такой процесс называют адиабатным.

К адиабатным приближаются быстро протекающие процессы, при которых теплообмен не успевает за ними, а температура газа в силу этого заметно изменяется.

Уравнение сохранения и превращения энергии (2.18) для адиабатного процесса имеет вид:

(2.24)

Следовательно, вся внешняя работа при этом совершается за счет изменения внутренней энергии газа. Знак «минус» в уравнении (2.24) показывает, что при расширении газа и совершении им работы температура газа снижается и, наоборот, при сжатии газа его температура повышается.

В качестве рабочего тела в устройствах автоматики используется реальный газ. Он отличается от идеального, прежде всего наличием сил трения при смещении отдельных слоев газа относительно друг друга, то есть наличием вязкости. Это обстоятельство имеет существенное значение при движении газов по трубопроводам и элементам пневмоавтоматики, поскольку определяет потери давления по длине трубопроводов и в местных сопротивлениях. При этом, больше давление питания (больше плотность газа), тем больше реальный газ отличается от идеального.

Вязкость газов, также как и вязкость жидкости, тоже зависит от температуры, однако характер этих зависимостей различен. Если вязкость жидкости уменьшается с повышением температуры, то вязкость газов увеличивается. Это объясняется более энергичным взаимопроникновением молекул соседних слоёв газа. Вязкость воздуха в рабочем диапазоне изменения давлений, используемых в пневмоавтоматике, несущественно зависит от давления.

Так как вязкость воздуха увеличивается с повышением температуры (увеличивается интенсивность движения молекул), то увеличивается и его теплопроводность. Однако воздух существенно хуже передает теплоту от одного участка к другому, чем минеральные масла, в т.ч. и вода.

Законы движения газа аналогичны соответствующим законам жидкости, но на них накладывает отпечаток его сжимаемость. Объёмный расход газа на входе в замкнутое пространство ограниченного объёма в силу сжимаемости газа может быть не равен расходу на выходе. Уравнение неразрывности для газов справедливо лишь в форме, связывающей массовые расходы , откуда:

(2.25)

Из (2.25) следует, что средние скорости течения газа обратно пропорциональны площадям соответствующих живых сечений лишь при том условии, что в этих сечениях газ находится при одинаковых давлениях и температурах. Во всех случаях следует учитывать изменение плотности газа, определяемое уравнением состояния с учётом характера термодинамического процесса.