Мостовые измерительные цепи

Параметрические датчики самых различных типов имеют в ка­честве выходной величины изменение одного из электрических параметров: сопротивления, индуктивности или емкости. Проблема в том, что эти параметры имеют какие-то значения даже при от­сутствии входного воздействия на датчик. В результате после не­посредственного преобразования этих параметров в более удоб­ную для дальнейшей обработки величину — напряжение — полу­чаются ненулевые его значения при нулевом воздействии на дат­чик, т.е. при нулевом значении технологического параметра. Есте­ственно, это создает неудобство как для оператора, затрудняя восприятие им информации о параметрах технологического про­цесса, так и для устройств дальнейшей обработки сигналов.

Для устранения такого сдвига напряжения было бы естествен­ным сдвинуть соответственно нулевой уровень входного сигнала устройства, на которое поступает сигнал от датчика. Проведем аналогию: для измерения высоты бьющей вверх струи фонтана надо брать в качестве нулевого уровня не уровень земли, а тот уровень, на котором находится сопло фонтана, иначе может по­лучиться результат в несколько метров даже при выключенном

фонтане. Сдвиг нулевого уровня означает, что нужно создать на­пряжение, равное сигналу с датчика при нулевом воздействии на него, и уже от этого напряжения отсчитывать значение сигнала. Это можно сделать с помощью мостовой измерительной цепи.

На рис. 5.9, а показана мостовая цепь, образованная тремя ре­зисторами R_t, R₂, R₃ и выходным сопротивлением датчика R, _д. Она питается от источника напряжения Е_пт. Сопротивления резисто­ров подбираются так, что R_t,/R₂ = R_{t 3}/ R _Д. Следовательно, напряже­ния на сопротивлениях R₂ и R _д одинаковы и их разность U_вых равна нулю. Это напряжение и является выходной величиной мостовой цепи.

При воздействии на датчик со стороны технологического па­раметра сопротивление датчика R_a изменяется, соответственно изменяется и напряжение на нем. Теперь оно отличается от на­пряжения на R₂ и разность этих напряжений (выходной сигнал мостовой цепи U_Bblx) становится отличной от нуля, причем она может быть как положительной, так и отрицательной.

Приведенная мостовая цепь является самой простой, и ее функ­ция преобразования линейна в очень узком диапазоне. При работе такой цепи с дифференциальным датчиком с выходными сопро­тивлениями R _Д1, и R _Д.₂ (рис. 5.8, б) диапазон линейности суще­ственно расширяется.

Если выходная величина датчика — индуктивность или емкость, то мостовая цепь должна питаться от источника переменного на­пряжения. В этом случае цепь немного усложняется, но принцип ее работы остается тем же.

Усилители

Усилители — это устройства, усиливающие сигналы за счет внешнего источника энергии.

111

Сигналы могут иметь различную физическую природу: элект­рические, гидравлические, пневматические и др. Соответственно и усилители этих сигналов относятся к электрическим, гидравли­ческим и другим устройствам. Как уже неоднократно отмечалось ранее, в автоматических системах используют, как правило, элек­трические сигналы. Поэтому далее рассмотрены в основном элек­тронные усилители.

Одним из основных параметров усилителя является его коэф­фициент усиления. В электронных усилителях различают коэффи­циент усиления по напряжению, по току и по мощности. Когда речь идет об усилении слабых сигналов датчиков до значений, позволяющих измерить величину сигнала с необходимой точнос­тью (обычно это уровень от долей вольта до нескольких вольт), приходится усиливать напряжение:

Uвых = к_ии_вх,

гдеUвых— напряжение на выходе усилителя; Кu — коэффициент усиления напряжения усилителем; и_вх — напряжение на входе усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению — это отношение напря­жения на выходе усилителя к напряжению на его входе.

Управляющие сигналы для исполнительных механизмов обыч­но очень слабы для непосредственного воздействия на эти меха­низмы, и их усиливают по току или по мощности до нужных зна­чений (вплоть до киловатт).

Коэффициенты усиления по току и по мощности определяют­ся аналогично коэффициенту усиления по напряжению:

KI ⁼ I вых/Iвх; Кр = P выхPIвх 

Зависимость выходного напряжения от входного во всем диа­пазоне изменений входного напряжения называется амплитудной характеристикой усилителя:

Uвых=F(U вх).

Амплитудная характеристика реального усилителя показана на рис. 5.10. На характеристике выделены три зоны: А, Ви С.

Зона А соответствует нулевому входному сигналу, но напряже­ние на выходе усилителя отлично от нуля — оно равно так назы­ваемому напряжению шумов, связанному с процессами, проис­ходящими внутри усилительных элементов (транзисторов, мик­росхем), а также с внешними электромагнитными наводками.

От минимального входного напряжения U_{BX min}, для которого гарантированы точностные характеристики усилителя, до макси­мального напряжения U_{BX maх} удовлетворяющего этим гарантиям, длится участок В, на котором амплитудная характеристика уси­лителя линейна. На участке С начинается насыщение усилителя,

112

когда напряжение на его выходе приближается к напряжению ис­точника питания, и он больше не может обеспечивать требуемый коэффициент усиления. Штриховой линией на рис. 5.10 показана идеальная амплитудная характеристика. Конечно, реальное напря­жение шумов гораздо меньше, чем можно судить по рис. 5.10; участок А показан таким большим только для наглядности.

При изменении частоты/входного напряжения коэффициент усиления усилителя может изменяться. Зависимость К_и - F(f) на­зывается амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

На рис. 5.11 приведена реальная амплитудно-частотная харак­теристика усилителя, по которой видно, что постоянство коэф­фициента усиления обеспечивается только в определенном диа­пазоне частот входного сигнала от f _min до f _min до f_maх. На низких и высоких частотах коэффициент усиления падает. Это связано, в первую очередь, с наличием в усилителях конденсаторов, сопротивление которых переменному току зависит от частоты этого тока. В совре­менной электронике распространены усилители постоянного тока, в которых межкаскадные конденсаторы отсутствуют, и коэффи­циент усиления остается неизменным даже на самых низких час­тотах. Штриховой линией на рис. 5.11 показана идеальная АЧХ.

В автоматических системах контроля и управления сигналы, поступающие от датчиков на входы усилителей, пропорциональ­ны различным технологическим параметрам. Эти параметры мо-

113

Такой большой перепад на выходе компаратора, легко регист­рируемый средствами обработки дискретных сигналов, позволяет создавать очень чувствительные устройства сравнения напряже­ний. Например, на один вход может подаваться сигнал U_m от дат­чика параметра, а на другой вход — постоянное напряжение U₀, равное сигналу датчика при предельно допустимом значении это­го параметра. Теперь как только параметр превысит предельное значение, напряжение U/_вх превысит U₀, что вызовет перепад на­пряжения на выходе компаратора, воспринимаемый системой как аварийный сигнал.

Так как при очень большом коэффициенте усиления K_v раз­ность напряжений (U_вх, - U/_вх2), приводящая к срабатыванию ком­паратора, чрезвычайно мала, можно считать, что компаратор фиксирует момент равенства напряжений на его входах.

Для управления исполнительными механизмами в АСУ ТП используют транзисторные усилители постоянного и переменно­го тока с небольшим коэффициентом усиления (100...500), но с большой выходной мощностью (до 200 Вт).

Если мощность, потребляемая исполнительными механизма­ми, составляет киловатты и более, то применяют магнитные уси­лители. Их работа основана на способности ферромагнитных ма­териалов в сильных магнитных полях переходить в состояние на­сыщения.

Обмотки 7 и 3 магнитного усилителя (рис. 5.14), которые пита­ются от источника переменного напряжения U, создают пере­менное магнитное поле, пронизывающее сердечник и создающее в нем магнитный поток.

 

 

Согласно закону электромагнитной ин­дукции, чем больше этот поток, тем больше индуктивность имеющихся на сердечнике обмоток и меньше ток, проходящий через них. Если сердечник введен в состояние насыщения, то пронизы­вающее его магнитное поле уже не в состоянии создать в нем большой магнитный поток. В результате индуктивность обмоток существенно уменьшается, а ток, проходящий через них, растет. Таким образом, управляя переходом сердечника в состояние на­сыщения, можно управлять током в цепи обмоток — выходной величиной усилителя.

Управлять состоянием насыщения можно, изменяя значение управляющего постоянного напряжения U_ynp, подаваемого на об­мотку подмагничивания 2. Это напряжение рассматривается как входная величина магнитного усилителя. При его увеличении ма­териал сердечника приближается к состоянию насыщения, при­чем даже небольшие изменения управляющего напряжения при­водят к значительным изменениям тока / (выходной величины) в обмотках.

Простота и большая выходная мощность магнитных усилите­лей привели к их широкому применению в автоматических систе­мах. Основной их недостаток — большая инерционность.

Цифровые устройства

Общие сведения

Цифровые устройства автоматики — это, как правило, элект­ронные устройства, работающие в дискретном режиме, т.е. они могут находиться только в определенных фиксированных состоя­ниях. Цифровыми они называются потому, что их состояния мо­гут быть обозначены цифрами: 1, 2, 3-е и т.д. Поскольку цифро­вые устройства используются с ЭВМ, которая сама является циф­ровым устройством, то принято использовать для обозначения состояний цифры двоичной системы счисления, удобные для выполнения операций в арифметико-логическом устройстве ЭВМ. В двоичной системе счисления две цифры: 0 и 1, но существуют разряды, как и в десятичной системе. Поэтому состояния цифро­вых устройств можно обозначить, например, следующим обра­зом: первое обозначить цифрой 0; второе — цифрой 1; третье по­требует введения второго разряда и обозначится 10 (не десять, а один —ноль), четвертое — 11 (один —один), пятое — 100 (один — ноль—ноль), шестое — 101 (один —ноль—один) и т.д.

Цифровые устройства в автоматических системах используют­ся:

•     для получения и хранения информации с датчиков дискрет­ных параметров (состояния и количества объектов);

•       выбора порядка опроса датчиков;

117

•   формирования дискретных управляющих воздействий («вклю­чить— выключить», «открыть—закрыть», «перевести в положе­ние 5» и т.д.);

«управления очередностью выполнения операций;

•       обмена информацией с ЭВМ.

Например, в режиме программно-логического управления именно цифровые устройства обеспечивают такую последователь­ность операций:

•    включить пускатель П1;

•      открыть клапан К.1;

•      когда давление в системе достигнет значения Р1, открыть вен­тиль В1 на 30° (положение 3) и т.д.

Все цифровые устройства, выполняющие перечисленные функ­ции, строятся на основе триггера.

Триггеры

Триггер — это устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия и выполняющее роль электронного реле.

Состояния триггера обозначаются цифрами 0 и 1.

Основу электронного триггера составляют два транзисторных элемента, называемых ключами (рис. 5.15). В ключе транзистор может находиться в одном из двух состояний: или он открыт, т. е. через него течет ток, или он закрыт, т. е. тока нет. Ключи в тригге­ре соединены так, что если один из них находится в открытом состоянии, то другой — обязательно в закрытом, и наоборот. При открытом транзисторе напряжение на его выходе близко к нулю, а при закрытом — к напряжению источника питания. Поэтому открытое состояние условно обозначают 0, а закрытое 1.

Если на вход закрытого транзистора поступает открывающий импульс напряжения, то он переводит транзистор в открытое состояние и напряжение на выходе транзистора уменьшается, т.е. формируется сигнал 0. При этом второй транзистор, ранее откры­тый, переходит в закрытое состояние и напряжение на его выходе возрастает (сигнал 1). Если теперь открывающий импульс посту­пит на вход второго транзистора, то снова установится первона­чальное состояние триггера.

Приняв выход одного из транзисторов за выход всего триггера, мы можем обозначить состояния триггера 0 и 1. Тогда можно ут­верждать, что поступление импульса на один вход триггера уста­навливает его в состояние 0, а на другой вход — в состояние 1.

 

 

 

 Состояние 0 триггера обычно принимают за исходное; при этом выходом триггера считают выход открытого в этом состоянии тран­зистора, на котором напряжение равно 0 (сигнал 0). Этот выход называют прямым, а выход другого транзистора — инверсным. При создании цифровых устройств, например счетчиков импуль­сов, используют сигналы как с прямого, так и с инверсного вы­ходов.

Соединив входы транзисторов так, чтобы входные импульсы могли поступать сразу на оба транзистора, можно организовать еще один вход триггера — счетный. При подаче открывающего импульса на этот вход откроется тот транзистор, который в этот момент находится в закрытом состоянии. Поскольку при пере­ключении триггера закрыт то один транзистор, то другой, по­ступление импульсов на счетный вход переводит триггер после­довательно из одного состояния в другое и обратно, что позволя­ет использовать его в качестве счетчика импульсов.

Регистры

Регистр — это устройство для хранения информации, пред­ставленной в двоичной форме.

Регистр представляет собой группу триггеров с общим входом установки в 0. Регистр, в котором все триггеры независимы, на­зывается параллельным (рис. 5.16, а). Сигналы (например, с дис­кретных датчиков) поступают параллельно на входы всех тригге­ров, образуя на выходе регистра сочетание нулей и единиц (па­раллельный код). Для установки регистра в исходное состояние на общий вход установки в 0 всех триггеров подается соответствую­щий сигнал.

В ряде случаев, например при выполнении операций с двоич­ными кодами в процессоре компьютера или для управления ком­мутатором, требуется сдвигать код, занесенный в регистр, на один или несколько разрядов. Для этого триггеры соединяют между со-

119

бой так, как показано на рис. 5.16, б, образуя сдвиговый регистр. Он представляет собой цепочку соединенных последовательно триггеров, для которых общий сигнал установки в 0 становится сигналом сдвига хранящейся информации на один разряд. При поступлении сигнала «Сдвиг» каждый триггер, находившийся в состоянии 1, переключается в состояние 0 и при этом передает следующему триггеру импульс установки в 1. Если следующий триггер был в состоянии 0, то он устанавливается этим импуль­сом в состояние 1. Триггер, находившийся в состоянии 0, не мо­жет переключить следующий триггер.

Счетчики

Счетчик импульсов — это устройство, предназначенное для подсчета поступающих на его вход электрических импульсов.

Результат подсчета количества импульсов представляется в дво­ичном коде, т.е. в виде двоичного числа.

Счетчики строятся на базе триггеров. Поскольку один триггер представляет собой один разряд двоичного числа, то для форми­рования, например, 8-разрядного числа требуется восемь тригге-

120

ров. Триггеры соединяются последовательно, как показано на рис. 5.17.

В отличие от сдвиговых регистров в счетчиках импульсы пода­ются на счетные входы триггеров. Благодаря этому с каждым при­шедшим импульсом происходит смена состояния триггера неза­висимо от того, в каком состоянии он перед этим находился. Но на следующий триггер импульс поступает, как и в сдвиговом ре­гистре, только тогда, когда предыдущий триггер переходит из состояния 1 в состояние 0. Сигналы на выходах триггеров форми­руют двоичное число, значение которого равно количеству по­ступивших на счетчик импульсов.

Максимальное количество импульсов, которые может сосчи­тать счетчик, равно количеству его возможных состояний, т.е. ко­личеству различных комбинаций состояний триггеров счетчика. Так, для счетчика с двумя триггерами количество возможных со­стояний — четыре; они соответствуют двоичным числам на выхо­де счетчика 00, 01, 10 и 11. При трех триггерах количество состо­яний — восемь, от 000 до 111. В общем случае, если в счетчике п триггеров, число различных состояний счетчика равно 2". Так, 8-разрядный счетчик позволяет считать до 2⁸ = 256.

В зависимости от того как организованы связи между триггера­ми, счетчики могут быть суммирующими или вычитающими. Счет­чик, показанный на рис. 5.17, суммирующий; количество его раз­личных состояний 2⁴ = 16. Первый триггер, на который поступают входные импульсы, образует младший разряд 4-разрядного дво­ичного числа на выходе счетчика; последний от входа триггер образует старший разряд.

Как происходит подсчет импульсов? Сначала все триггеры ус­танавливаются в состояние 0, на выходе счетчика — число 0000. Первый входной импульс переключает триггер младшего разряда в состояние 1, число на выходе счетчика становится 0001. Второй импульс возвращает этот триггер в 0, но такой переход переводит триггер второго разряда в 1; число на выходе — 0010 (нуль—нуль— один —нуль). Третий импульс вновь переводит триггер младшего разряда в 1; при этом триггер второго разряда не меняет своего состояния, число на выходе — ООН. Четвертый импульс возвра-

щает триггер младшего разряда в 0, его выходной сигнал перево­дит триггер второго разряда в 0, а выходной сигнал этого тригге­ра переводит триггер 3-го разряда в 1; число на выходе счетчика — 0100. Пятый импульс переводит младший разряд в состояние 1, не оказывая влияния на другие разряды, число на выходе — 0101.

Так происходит до тех пор, пока 15-й импульс не установит счетчик в состояние 1111. Следующий, 16-й, импульс должен бы установить на выходе число 10000, но поскольку в этом счетчике только четыре разряда (четыре триггера), число на выходе соот­ветствует значениям только четырех младших разрядов, т. е. 0000. Таким образом, счетчик возвращается в нулевое состояние и го­тов к новому счету.

При необходимости принудительной установки счетчика в ис­ходное состояние на него поступает команда «Установка в 0» и во всех разрядах триггеры устанавливаются в состояние 0.

Вычитающий счетчик строится аналогично, но сигнал на триг­гер более старшего разряда поступает не с инверсного, а с пря­мого выхода каждого триггера. Триггер каждого разряда изменяет свое состояние, когда предыдущий триггер переходит из состоя­ния 0 в 1. В результате при поступлении на вход счетчика очеред­ного импульса двоичное число на его выходе уменьшается на 1.

Счетчики, которые позволяют производить как суммирование, так и вычитание поступающих импульсов, называются реверсив­ными. Они имеют или два входа (один — для суммируемых им­пульсов; другой — для вычитаемых импульсов), или один вход с возможностью переключения счетчика из режима сложения в ре­жим вычитания, и наоборот.

Коммутаторы

Коммутатор — это электронный или электромеханический переключатель, подключающий в определенном порядке различ­ные электрические цепи к входу или выходу общего для них уст­ройства.

Коммутаторы состоят из управляющих элементов и переклю­чающих элементов. Они работают по принципу шаговых устройств: на каждом шаге срабатывает один элемент коммутатора, подклю­чая одну из цепей.

Управляющим элементом коммутатора обычно является парал­лельный или сдвиговый регистр. Параллельный регистр получает от ЭВМ код номера цепи, которую следует подключить к входу или выходу коммутатора в данный момент. Сдвиговый регистр используют, когда очередность подключения цепей известна за­ранее. В этом случае сдвиговый регистр закольцовывают, соединяя выход последнего триггера регистра с входом первого, и перево-

122

дят первый триггер в состояние 1. Если теперь подавать на регистр импульсы сдвига, то с каждым импульсом триггеры регистра бу­дут поочередно переходить в состояние 1, т.е. выходной сигнал будет поочередно появляться на всех выходах регистра. В результа­те электрические цепи будут поочередно подключаться к входу (выходу) коммутатора, причем после подключения последней цепи процесс будет повторяться сначала. Включенный таким образом сдвиговый регистр называется кольцевым счетчиком.

Переключающие элементы могут быть контактными или бес­контактными.

В качестве контактных переключающих элементов чаще всего используют электромагнитные реле, переключающие цепи пере­мещением подвижных электрических контактов. Реле способны переключать цепи в широком диапазоне токов и напряжений при малой мощности управляющего сигнала. Они незаменимы при коммутации сверхмалых токов (микроамперы) и напряжений (мик­ровольты), поступающих от некоторых видов датчиков. Современ­ные реле малогабаритные, имеют низкую стоимость, работают в широком диапазоне температур. Их недостаток — большая инер­ционность (время срабатывания — от единиц до сотен миллисе­кунд).

Значительно большим быстродействием обладают бесконтакт­ные полупроводниковые переключающие элементы — транзисто­ры и тиристоры (время их переключения составляет микросекун­ды). Работа транзисторных ключей уже рассматривалась в подразд. 5.4.2. Для уменьшения взаимного влияния коммутируемых цепей в качестве переключающих элементов используют полевые тран­зисторы, обладающие очень высоким сопротивлением в закры-

 

том состоянии. Тиристоры способны переключать очень большие токи (до сотен ампер), но их быстродействие ниже.

На рис. 5.18 приведена схема коммутатора на полевых транзис­торах с четырьмя входами и одним выходом, управляемого сдви­говым регистром.

Коммутаторы, содержащие несколько входов и один выход, называются мультиплексорами и используются в автоматических системах обычно для поочередного подключения сигналов от дат­чиков к входу общего для них усилителя или аналого-цифрового преобразователя. Коммутаторы, имеющие один вход и несколько выходов, называются демультиплексорами и используются для подачи управляющих сигналов на нужный исполнительный меха­низм.