Marek Ludwicki

Embed Size (px)

Citation preview

UKADY I SYSTEMY POMIAROWE 1. UKADY POMIAROWE 2. SYSTEMY POMIAROWO-REGULACYJNE 2.1. ANALOGOWY SYSTEM ELEKTRYCZNY 2.2. ANALOGOWY SYSTEM PNEUMATYCZNY 2.3. SYSTEMY DYSKRETNE 3. UKADY SYGNALIZACYJNE 4. 4. LITERATURA STEROWANIE I REGULACJA AUTOMATYCZNA 1. STEROWANIE RCZNE W UKADZIE ZAMKNITYM 2. REGULACJA AUTOMATYCZNA 3. LITERATURA DOWIADCZALNE OKRELANIE WACIWOCI UKADW POMIAROWYCH I REGULACYJNYCH 1. WACIWOCI STATYCZNE - WZMOCNIENIE STATYCZNE 2. WACIWOCI DYNAMICZNE - ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE 2.1. METODY WYZNACZANIA STAEJ CZASOWEJ CZONW INERCYJNYCH I RZDU 2.1.1. SPOSOBEM GRAFICZNYM 2.1.2. Z NACHYLENIA CHARAKTERYSTYKI SKOKOWEJ W DANYM PUNKCIE 2.1.3. Z WARTOCI CHARAKTERYSTYKI SKOKOWEJ W PUNKCIE = T 3. WACIWOCI DYNAMICZNE UKADW ZOONYCH 4. LITERATURA Zadania : 1. PRZEPYWOWY GSTOCIOMIERZ HYDROSTATYCZNY DO POMIARU STENIA ROZTWORW 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU ZEROWANIE GSTOCIOMIERZA KALIBROWANIE GSTOCIOMIERZA WACIWOCI DYNAMICZNE GSTOCIOMIERZA ZAKOCZENIE ZADANIA ZAKOCZENIE ZADANIA SPRAWOZDANIE LITERATURA

2. KONDUKTOMETR PRZEPYWOWY JAKO OBIEKT WSPOMAGANEGO KOMPUTEROWO BADANIA STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH WACIWOCI CZONW INERCYJNYCH 2.1. KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU

2.2. PRZYGOTOWANIE ROZTWORW 2.3. NASTAWIANIE CZUOCI KONDUKTOMETRU 2.4. KALIBROWANIE KONDUKTOMETRU 2.5. BADANIE DYNAMICZNYCH WACIWOCI OBIEKTW INERCYJNYCH 2.5.1. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO I RZDU 2.5.2. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO II RZDU 2.6. ZAKOCZENIE ZADANIA 2.7. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 2.7.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA KONDUKTOMETRU 2.7.2. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO I RZDU 2.7.3. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO II RZDU 2.8. SPRAWOZDANIE 2.9. LITERATURA 3. PNEUMATYCZNY PRZETWORNIK SIY - WACIWOCI STATYCZNE I DYNAMICZNE 3.1. KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU 3.2. URUCHOMIENIE UKADU POMIAROWEGO 3.3. BADANIE PRZETWORNIKA SIY 3.3.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA 3.3.2. DODATKOWE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE 3.3.3. WPYW CINIENIA POWIETRZA ZASILAJCEGO 3.4. BADANIE PRZETWORNIKA CINIENIA 3.4.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA 3.4.2. DODATKOWE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE 3.4.3. PRZESUNICIE CHARAKTERYSTYKI STATYCZNEJ 3.5. KSZTATOWANIE WACIWOCI DYNAMICZNYCH PRZETWORNIKA 3.5.1. INERCYJNE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE 3.5.2. INERCYJNE DODATNIE SPRZENIE ZWROTNE 3.6. ZAKOCZENIE ZADANIA 3.7. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 3.7.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA PRZETWORNIKA SIY 3.7.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA PRZETWORNIKA CINIENIA 3.7.3. WACIWOCI DYNAMICZNE PRZETWORNIKA 3.8. SPRAWOZDANIE 3.9. LITERATURA 4. WZMACNIACZ I REGULATOR ELEKTRONICZNY 4.1. UKAD POMIAROWY 4.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA TRANZYSTORA 4.3. TRANZYSTOROWY WZMACNIACZ PRZEKANIKOWY 4.3.1. FOTOELEKTRYCZNY PRZETWORNIK PRZESUNICIA 4.3.2. KONDUKTOMETRYCZNY PRZETWORNIK POZIOMU CIECZY

4.3.3. TRANSFORMATOROWY PRZETWORNIK PRZESUNICIA 4.4. ELEKTRONICZNA STABILIZACJA PRDU I NAPICIA 4.4.1. REZYSTOR W OBWODZIE PRDU STAEGO 4.4.2. DZIAANIE STABILISTORA 4.4.3. TRANZYSTOR JAKO STABILIZATOR PRDU 4.5. WACIWOCI DYNAMICZNE INERCYJNEGO CZWRNIKA RC 4.6. WACIWOCI STATYCZNE I DYNAMICZNE ELEKTRONICZNEGO REGULATORA IMPULSOWEGO 4.7. ZAKOCZENIE ZADANIA 4.8. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 4.8.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA TRANZYSTORA 4.8.2. ELEKTRONICZNA STABILIZACJA NAPICIA I PRDU 4.8.3. WACIWOCI DYNAMICZNE INERCYJNEGO CZWRNIKA RC 4.8.4. WACIWOCI STATYCZNE I DYNAMICZNE ELEKTRONICZNEGO REGULATORA IMPULSOWEGO RE-5 4.9. SPRAWOZDANIE 4.10. LITERATURA 5. TYRYSTOROWY CZNIK I STEROWNIK MOCY JAKO URZDZENIA WYKONAWCZE AUTOMATYKI 5.1. UKAD POMIAROWY 5.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA TYRYSTORA 5.2.1. CHARAKTERYSTYKA BRAMKOWO - ANODOWA TYRYSTORA 5.2.2. WZMOCNIENIE TYRYSTORA 5.3. TYRYSTOR JAKO CZNIK PRDU PRZEMIENNEGO 5.4. DWUPOOENIOWY REGULATOR TEMPERATURY 5.4.1. WACIWOCI DYNAMICZNE UKADU REGULACJI DWUPOOENIOWEJ 5.4.2. WPYW DODATKOWEGO OPORU CIEPLNEGO 5.5. POKRESOWY STEROWNIK MOCY 5.5.1. STEROWANIE OWIETLENIEM 5.6. STEROWANIE PRDKOCI OBROTOW SILNIKA 5.7. POMIARY PRDKOCI OBROTOWEJ SILNIKA 5.8. ZAKOCZENIE ZADANIA 5.9. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 5.9.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA TYRYSTORA 5.9.2. WZMOCNIENIE TYRYSTORA 5.9.3. SPRAWNO TYRYSTORA 5.9.4. POMIARY PRDKOCI OBROTOWEJ SILNIKA 5.10. SPRAWOZDANIE 5.11. LITERATURA 6. PNEUMATYCZNY REGULATOR PID - WACIWOCI STATYCZNE I DYNAMICZNE 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. UKAD POMIAROWY BUDOWA I DZIAANIE REGULATORA RCZNE STEROWANIE URZDZENIEM WYKONAWCZYM PRZECZANIE UKADU NA AUTOMATYCZNY RODZAJ PRACY

6.5. WACIWOCI STATYCZNE REGULATORA PROPORCJONALNEGO (P) 6.5.1. PRACA ODWROTNA, X P = 100 % 6.5.2. PRACA NORMALNA, XP = 100 % 6.5.3. PRACA NORMALNA, XP = 200 % 6.5.4. PRACA NORMALNA, XP = 50 % 6.5.5. PRZESUWANIE PUNKTU PRACY 6.6. WACIWOCI DYNAMICZNE REGULATORA PID 6.6.1. REGULATOR PROPORCJONALNO-CAKUJCY (PI) 6.6.2. REGULATOR PROPORCJONALNO-RNICZKUJCY (PD) 6.6.3. REGULATOR PID 6.7. WPYW CINIENIA POWIETRZA ZASILAJCEGO 6.8. ZAKOCZENIE ZADANIA 6.9. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 6.9.1. RCZNE STEROWANIE URZDZENIEM WYKONAWCZYM 6.9.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA REGULATORA P 6.9.3. WACIWOCI DYNAMICZNE REGULATORA PID 6.9.4. WPYW CINIENIA POWIETRZA ZASILAJCEGO 6.10. SPRAWOZDANIE 6.11. LITERATURA 7. ELEKTRONICZNY REGULATOR PID DO REGULACJI POZIOMU CIECZY W ZBIORNIKU

7.1. UKAD REGULACJI 7.2. BUDOWA I DZIAANIE ELEKTRONICZNEGO REGULATORA PID 7.3. WACIWOCI STATYCZNE UKADU 7.3.1. CHARAKTERYSTYKA STEROWANIA ZAWOREM REGULACYJNYM 7.3.2. CHARAKTERYSTYKA DWUPOOENIOWEGO CZUJNIKA POZIOMU WODY 7.3.3. CHARAKTERYSTYKA CIGEGO CZUJNIKA POZIOMU WODY 7.4. RCZNE STEROWANIE POZIOMEM WODY W ZBIORNIKU 7.5. DWUPOOENIOWA REGULACJA POZIOMU WODY 7.6. CIGA REGULACJA POZIOMU WODY 7.6.1. OKRELENIE KRYTYCZNEGO WZMOCNIENIA REGULATORA 7.6.2. OBLICZENIE NASTAW REGULATORA PID 7.7. ZAKOCZENIE ZADANIA 7.8. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 7.8.1. RCZNE STEROWANIE POZIOMEM WODY W ZBIORNIKU 7.8.2. CHARAKTERYSTYKA DWUPOOENIOWEGO CZUJNIKA POZIOMU WODY 7.8.3. RCZNE STEROWANIE POZIOMEM WODY W ZBIORNIKU 7.8.4. DWUPOOENIOWA REGULACJA POZIOMU WODY 7.8.5. CIGA REGULACJA POZIOMU WODY 7.9. SPRAWOZDANIE 7.10. LITERATURA 8. AUTOMATYCZNA, MIKROPROCESOROWA REGULACJA pH W REAKTORZE PRZEPYWOWYM

8.1. UKAD REGULACJI

8.2. PRZYGOTOWANIE ODCZYNNIKW 8.3. URUCHOMIENIE UKADU REGULACJI 8.4. ODPOWIED OBIEKTU REGULACJI NA WYMUSZENIE SKOKOWE 8.5. REGULACJA PROPORCJONALNA 8.5.1. REGULATOR Z MAYM WZMOCNIENIEM (XP=200%) 8.5.2. REGULATOR Z DUYM WZMOCNIENIEM (XP=50%) 8.6. REGULACJA PROPORCJONALNO CAKUJCA 8.7. ZAKOCZENIE ZADANIA 8.8. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 8.8.1. ODPOWIED OBIEKTU NA WYMUSZENIA SKOKOWE 8.8.2. AUTOMATYCZNA REGULACJA pH 8.9. SPRAWOZDANIE 8.10. LITERATURA 9. POMIARY PRZEPYWU CIECZY W RUROCIGU

9.1. UKAD POMIAROWY 9.2. URUCHOMIENIE OBIEGU CIECZY 9.3. POMIARY PRZEPYWU PRZEPYWOMIERZEM SKRZYDEKOWYM 9.4. POMIARY PRZEPYWU ZWK 9.4.1. ZWKA Z MANOMETREM CIECZOWYM 9.4.2. ZWKA Z PRZETWORNIKIEM MAGNETOELEKTRYCZNYM 9.4.3. BADANIE CHARAKTERYSTYK PRZETWORNIKW RNICY CINIE 9.5. POMIARY PRZEPYWU PRZEPYWOMIERZAMI INDUKCYJNYM I CIEPLNYM 9.6. BADANIE CHARAKTERYSTYKI POMPY WIROWEJ ODRODKOWEJ 9.6.1. MAKSYMALNE CINIENIE TOCZENIA POMPY 9.6.2. WYDAJNO POMPY 9.6.3. MOC POBIERANA PRZEZ SILNIK POMPY 9.7. ZAKOCZENIE ZADANIA 9.8. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 9.8.1. POMIARY PRZEPYWOMIERZEM SKRZYDEKOWYM 9.8.2. POMIARY PRZEPYWU ZWK 9.8.3. POMIARY PRZEPYWOMIERZAMI INDUKCYJNYM I CIEPLNYM 9.8.4. CINIENIE TOCZENIA POMPY 9.8.5. WYDAJNO POMPY 9.8.6. MOC POBIERANA PRZEZ SILNIK POMPY 9.8.7. SPRAWNO POMPY 9.8.8. WYKORZYSTANIE CHARAKTERYSTYKI POMPY 9.9. SPRAWOZDANIE 9.10. LITERATURA 10. ELEKTROCHEMICZNY ANALIZATOR SKADU ROZTWORU 10.1. DZIAANIE ANALIZATORA SKROPLIN Z WYPARKI CUKROWNICZEJ 10.2. BUDOWA ANALIZATORA 10.3. URUCHOMIENIE ANALIZATORA 10.4. PRZYGOTOWANIE ROZTWORW 10.5. BADANIA LABORATORYJNE ANALIZATORA

10.5.1. SPRAWNO ODPDZANIA WGLANU AMONOWEGO 10.5.2. ODPOWIED ANALIZATORA NA SKOKOWY WZROST ZWIZKW AMONOWYCH 10.5.3. ODPOWIED ANALIZATORA NA SKOKOWY WZROST ROZTWORU SACHAROZY 10.6. ZAKOCZENIE ZADANIA 10.7. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 10.7.1. SPRAWNO ODPDZANIA WGLANU AMONOWEGO 10.7.2. ODPOWIED ANALIZATORA NA SKOKOWY WZROST ZWIZKW AMONOWYCH 10.7.3. ODPOWIED ANALIZATORA NA SKOKOWY WZROST ROZTWORU SACHAROZY 10.7.4. SPRAWOZDANIE 10.8. LITERATURA

STENIA STENIA

STENIA STENIA

UKADY I SYSTEMY POMIAROWE

1. UKADY POMIAROWE Ukad pomiarowy skada si z kilku czonw poczonych szeregowo. Podstawow rol w procesie pomiaru peni czujnik. Jest to ukad fizyczny, fizykochemiczny lub biologiczny, ktrego wybrana waciwo y jest z wielkoci mierzon x cile zwizan znan i powtarzaln zalenoci y = f (x) . Waciwo y

powinna nadawa si do dalszego przetworzenia na uyteczny sygna pomiarowy, a funkcja f powinna by w miar monoci funkcj liniow. Czujnik pomiarowy jest pierwotnym przetwornikiem, przetwarzajcym mierzon wielko na wielko inn, nadajc si do bezporedniego okrelenia (pomiary bezporednie) lub wymagajc przetworzenia w przetworniku wtrnym na jeszcze inn wielko (pomiary porednie). Wtrnego przetwarzania sygnau wymagaj wszystkie czujniki parametryczne, jednake i wikszo czujnikw generacyjnych musi by uzupeniana ukadami wzmacniajcymi ich sygna wyjciowy lub (i) przetwarzajcymi go, np. na sygna o znormalizowanej wartoci (standardowy). Z tego wzgldu praktycznie wszystkie czujniki pomiarowe stosowane w pomiarach zdalnych i automatycznych s czone z wtrnym ukadem przetwarzajcym i wskanikiem w zesp pomiarowy, nazywany najczciej ukadem pomiarowym. Ukad pomiarowy umieszczony we wsplnej obudowie (ewent. z wydzielonym czujnikiem) nazywa si przyrzdem pomiarowym. Przykad zespou pomiarowego do mierzenia temperatury w suszarni

parametrycznym czujnikiem rezystancyjnym przedstawia rysunek 1.1.

Rys. 1.1 Zesp pomiarowy do mierzenia temperatury w suszarni

2 Czujnik (termorezystor) jest umieszczony w komorze suszarni (obiekcie pomiaru) w temperaturze T. Jego rezystancja Rx ustala si zgodnie z charakterystyk pomiarow R = f (T ) . Warto tej rezystancji jest pierwotnym sygnaem pomiarowym,

przetwarzanym nastpnie w przetworniku pomiarowym na napicie elektryczne U wtrny sygna pomiarowy. Po wzmocnieniu we wzmacniaczu sygna ten moe by ju przesyany na pewn odlego i moe uruchamia miernik (wskanik) wyjciowy. Wychylenie wskazwki miernika bdzie funkcj temperatury T w komorze suszarni. Zesp pomiarowy moe by bardziej rozbudowany w przypadku koniecznoci zmiany rodzaju sygnau wtrnego (np. z elektrycznego na pneumatyczny lub odwrotnie), zmiany postaci tego sygnau (np. modulacji lub demodulacji, przetwarzania analogowocyfrowego lub cyfrowo-analogowego), czy dokonania operacji matematycznej.

2. SYSTEMY POMIAROWO-REGULACYJNE

Ukady (zespoy) pomiarowe skadaj si z czonw, midzy ktrymi s przekazywane rnego rodzaju sygnay. Sygnaem pomiarowym nazywamy w tym przypadku pewn wielko fizyczn, bdc funkcj czasu i stanowic nonik informacji o wielkoci mierzonej. Sygna z zakodowan informacji moe by przesyany na pewne odlegoci i wykorzystywany do uruchamiania dodatkowego wskanika wielkoci mierzonej (przy pomiarach zdalnych) lub (i) ukadu automatycznej regulacji. Konieczno rwnoczesnego pomiaru duej liczby wielkoci fizycznych wystpujcych we wspczesnych technologiach, szybkiego przetwarzania informacji, dokonywania analizy i badania korelacji sygnaw, uproszczenia obsugi rozbudowanych ukadw pomiarowych, a czsto konieczno wstecznego oddziaywania na badany proces (automatyzacja), stanowiy przesanki rozwoju tzw. systemw pomiarowo-regulacyjnych.Systemem pomiarowo-regulacyjnym nazywa si zestaw speniajcych zaoone funkcje

i mogcych ze sob wsppracowa przyrzdw pomiarowych i urzdze pomocniczych, przeznaczonych do zbierania, porwnywania, rejestracji i przetwarzania informacji o mierzonych wielkociach fizycznych. W zalenoci od rodzaju energii wykorzystanej w sygnaach pomiarowych jako nonik informacji oraz od charakteru tych sygnaw, powstaj rne blokowe systemy pomiarowo-regulacyjne: zestawy czujnikw, przetwornikw pomiarowych, wzmacniaczy, elementw matematycznych, zadajnikw, regulatorw, siownikw, wskanikw, rejestratorw itp. Stosowanie sygnaw znormalizowanych umoliwia dowolne czenie

3 poszczeglnych czonw systemu w czsto bardzo skomplikowane ukady pomiaroworegulacyjne. Wspprac urzdze z rnych systemw umoliwiaj przetworniki midzysystemowe. W systemach analogowych przetwarzanie sygnaw nie zmienia ich cigego charakteru, a wynik pomiaru przedstawia si w postaci odczytywanych lub rejestrowanych (najczciej w funkcji czasu) sygnaw analogowych. W systemach cyfrowych wystpuje dyskretyzacja sygnau analogowego (przetwarzanie analogowo-cyfrowe), a wynik pomiaru przedstawia si w postaci cyfrowej. Obecnie najwikszy popularno zyskay trzy systemy pomiarowo-regulacyjne: analogowy system elektryczny, analogowy system pneumatyczny i cyfrowy system elektryczny. W maym stopniu s wykorzystywane sygnay mechaniczne w postaci przesunicia lub siy, przesyane na niewielkie odlegoci cignami i dwigniami. W urzdzeniach wymagajcych rozwijania znacznych mocy (dwigi, maszyny budowlane itp.) stosuje si sygnay hydrauliczne w postaci cinienia cieczy. Przyszociowym kierunkiem jest wykorzystanie modulowanych, dyskretnych sygnaw optycznych - bardzo pojemnego i odpornego na zakcenia nonika informacji, przesyanego na znaczne odlegoci za pomocy wiatowodw.

2.1. ANALOGOWY SYSTEM ELEKTRYCZNY

Analogowy system elektryczny wykorzystuje sygna w postaci napicia lub natenia staego prdu elektrycznego. Sygna taki moe by z atwoci przesyany na znaczne odlegoci, wzmacniany, modulowany, przeksztacany matematycznie. Linia przesyowa jest tania. Stosowanie nowoczesnych, scalonych elementw pprzewodnikowych pozwala na osignicie duej dokadnoci i niezawodnoci funkcjonowania czonw systemu. Wadami systemu elektrycznego s: trudnoci w przesyaniu sygnaw znacznej mocy, wraliwo na zakcenia i moliwo iskrzenia, stanowica w pewnych warunkach zagroenie wybuchowe. Najnowsze rozwizania systemw elektrycznych s zabezpieczone przed wystpieniem iskrzenia. Znormalizowane, standardowe sygnay prdowe i napiciowe analogowego systemu elektrycznego maj nastpujce zakresy: 0... 5 mA 0...20 mA 4...20 mA 0... 5 V, 0...10 V, 1... 5 V.

4 Na uwag zasuguje zalecany i najczciej obecnie stosowany sygna prdowy 4...20 mA, w ktrym istnieje moliwo odrnienia stanu awarii urzdzenia pomiarowego lub linii przesyowej sygnau pomiarowego od dolnej granicy zakresu zmian tego sygnau.

2.2. ANALOGOWY SYSTEM PNEUMATYCZNY

System pneumatyczny wykorzystuje sygna w postaci cinienia powietrza. Sygna taki jest bardzo odporny na zakcenia, moe przenosi znaczne moce, nie stanowi adnego zagroenia wybuchowego. Wzmacnianie i przeksztacanie sygnau pneumatycznego wymaga jednak stosowania do skomplikowanych urzdze, a przesyanie sygnau na wiksze odlegoci jest bardziej zoone ni w przypadku sygnau elektrycznego. Znormalizowany, standardowy sygna pneumatyczny ma zakres zmian cinienia powietrza od 20 do 100 kPa. Przesunicie pocztku zakresu umoliwia atw identyfikacj awarii urzdzenia lub linii przesyowej.

2.3.

SYSTEMY DYSKRETNE

Sygnay analogowe, wykorzystywane w analogowych metodach pomiarowych i analogowych systemach pomiarowo-regulacyjnych, maj istotn wad: s mniej lub bardziej podatne na rnego rodzaju zakcenia, ktre si na nie nakadaj w sposb zupenie przypadkowy, s te podatne na wpywy cigych, cho czsto powolnych zmian parametrw elementw wchodzcych w skad zespou pomiarowego, np. starzenie si, zmiany warunkw zasilania itp. Nowoczesna technika pomiarowo-regulacyjna stosuje inny rodzaj sygnaw sygnay dyskretne. Sygnay te maj charakter niecigy, skadaj si z zespou impulsw (najczciej elektrycznych) odpowiedniego ksztatu i amplitudy, a tre zawartej w nich informacji jest okrelona przez czstotliwo impulsw, ich wzajemn odlego w czasie lub te obecno albo nieobecno napicia w danym obwodzie. W technice cyfrowej korzysta si prawie wycznie z sygnaw o charakterze elektrycznym. Przyjto na przykad, e bitowi 0 odpowiada napicie zblione do zera, natomiast bitowi 1 napicie ok. +5 V. Kad informacj liczbow przedstawia si wic za pomoc kombinacji napi ok. 0 i ok. +5 V przesyanych w postaci impulsw

5 elektrycznych bd lini wieloprzewodow (1 przewd na kady bit + l przewd sygnau synchronizujcego) w systemie transmisji rwnolegej (np. poczenie komputera PC z drukark czem zwanym dawniej Centronix), bd te lini dwuprzewodow, po dodatkowym kodowaniu informacji w czasie (np. cza szeregowe portu myszy w PC typuRS-232, USB, czy ich przemysowa wersja RS-485).

Podstawowymi zaletami stosowania dyskretnych sygnaw cyfrowych s: bardzo znaczne ograniczenie wpywu zakce oraz wielka szybko przekazywania informacji, pozwalajca na wykorzystanie tych sygnaw m.in. w cyfrowej technice obliczeniowej z uyciem komputerw.

3. UKADY SYGNALIZACYJNE

Ukady sygnalizacyjne w odrnieniu od ukadw pomiarowych nie informuj o chwilowej wartoci wielkoci mierzonej lecz sygnalizuj przekroczenie dopuszczalnych granic tej wielkoci. Najczciej sygnalizacja dotyczy nastpujcych stanw wielkoci mierzonej: a) za maa - prawidowa - za dua, b) za maa d) za dua, c) za maa - prawidowa, prawidowa - za dua.

Jak wida, do przekazania informacji w ukadach sygnalizacyjnych s potrzebne tylko dwa lub trzy poziomy sygnaw, mamy wic tu do czynienia z najprostszym przypadkiem pomiaru dyskretnego. Ukady sygnalizacyjne s stosowane bardzo czsto, zwykle cznie z ukadami pomiarowo-regulacyjnymi i wykorzystuj sygnay elektryczne (np. napicie 0 V i napicie 220 V lub 0 i +5 V), sygnay pneumatyczne (np. cinienie 0 kPa i 100 kPa), czy mechaniczne. Sygnay elektryczne s stosowane najczciej, poniewa najprostszym rozwizaniem ukadu sygnalizacyjnego jest zastosowanie sygnalizacji optycznej (np. lampek o rnej barwie) lub akustycznej (buczki, syreny) informujcej o przekroczeniu ktrego z istotnych parametrw procesu technologicznego.

6

4. LITERATURA [1] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002.

[2] Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. [3] elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa: dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez pisemnej zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

STEROWANIE I REGULACJA AUTOMATYCZNA

1. STEROWANIE RCZNE W UKADZIE ZAMKNITYM Schemat zamknitego ukadu sterowania rcznego przedstawia rysunek 1.1. Centralnym elementem ukadu jest obiekt sterowania - urzdzenie lub proces, w ktrym steruje si co najmniej jednym z parametrw x. Parametr ten jest mierzony i przetwarzany na standardowy sygna pomiarowy przez zesp (ukad) pomiarowy. Warto wtrnego sygnau pomiarowego y jest wskazywana przez miernik wyjciowy zespou. Czowiek sterujcy procesem porwnuje warto sygnau y = f (x) z wartoci ustalon wczeniej jako optymaln i w przypadku wystpowania rnicy, odpowiednio oddziauje na obiekt sterowania za porednictwem urzdzenia wykonawczego. Proces sterowania jest komplikowany przez wystpowanie zakce wpywajcych na sterowany parametr. Gdyby nie byo zakce, mona by jednorazowo ustali optymalne ustawienie urzdzenia wykonawczego i sterowanie byoby zbdne.

Rys. 1.1. Schemat zamknitego ukadu sterowania rcznego Poniewa w ukadzie sterowania rcznego wystpuje zwrotne oddziaywanie na obiekt (sprzenie zwrotne ujemne), dokonywane w wyniku oceny zmian wielkoci sterowanej, ukad ten jest ukadem zamknitym, nazywanym niekiedy ukadem regulacji rcznej. Przykad sterowania rcznego temperatur cieczy ogrzewanej w wymienniku ciepa przedstawia rys. 1.2. Operator obsugujcy proces ogrzewania cieczy (lub po prostu konkretne urzdzenie wymiennik ciepa), porwnuje wskazania miernika temperatury T z wartoci temperatury wymagan przez proces, zadan mu do utrzymywania np. przez instrukcj technologa. W przypadku gdy temperatura cieczy jest za wysoka, zmniejsza

2

& pokrtem zadajnika strumie pary V doprowadzany do wymiennika; przy temperaturze zaniskiej reaguje odwrotnie. Jeeli temperatura jest prawidowa, nie reaguje. Tak jak w sterowaniu w ukadzie otwartym, natenie dopywu pary grzejnej do wymiennika

& V jest tu funkcj ustawienia pokrta zadajnika, ale pooenie pokrta jest kontrolowanew sposb praktycznie cigy przez obsugujcego proces i w ten sposb zamyka si ptla stabilizujcego, ujemnego sprzenia zwrotnego. Sterowanie procesem wymaga jednak aktywnego udziau operatora, zwaszcza jego wysiku psychicznego, nie jest wic automatyczne.

Rys. 1.2. Przykad zamknitego ukadu sterowania rcznego W omwionym przykadzie ciekawe bdzie przeledzenie, jak dziaao by tu zastpienie ujemnego sprzenia zwrotnego sprzeniem dodatnim. Wystarczy odwrci reakcj operatora, ktry na wzrost temperatury T reagowa by zwikszeniem strumienia ciepa do wymiennika, a przy spadku wartoci T poniej zadanego poziomu zmniejsza by strumie pary. Takie sterowanie doprowadzio by do osigania skrajnych moliwych wartoci T i cae sterowanie nie miao by sensu. Jak wida dodatnie sprzenie zwrotne dziaao by na proces destabilizujco.

2. REGULACJA AUTOMATYCZNA Jeeli w wyej opisanym, zamknitym ukadzie sterowania rcznego, czynnoci czowieka polegajce na ocenie rnicy midzy wartoci wielkoci sterowanej y,

3 a wartoci ustalon jako optymaln oraz na zwrotnym oddziaywaniu na obiekt sterowania w celu zmniejszenia tej rnicy zastpimy dziaaniem urzdzenia automatycznego, otrzymamy zamknity ukad sterowania automatycznego. Ukad taki nosi nazw ukadu automatycznej regulacji, a urzdzenie automatyzujce nazywa si regulatorem. Schemat zamknitego ukadu regulacji przedstawia rysunek 2.1. Obiektem regulacji jest urzdzenie lub proces, w ktrym reguluje si jeden z parametrw x. Parametr ten jest mierzony i przetwarzany na standardowy sygna pomiarowy przez zesp pomiarowy. Sygna wyjciowy zespou, czyli sygna wielkoci regulowanej y = f (x) , jest doprowadzany z zespou pomiarowego do czonu sumujcego regulatora, do ktrego doprowadza si te sygna wielkoci zadanej w z zadajnika. Zadajnik umoliwia dowolne, rczne nastawianie wielkoci zadanej. Czon sumujcy dokonuje porwnania wielkoci regulowanej z wielkoci zadan i wysya sygna odchylenia regulacji e = w - y do zasadniczej czci regulatora - czonu ksztatujcego. W czonie ksztatujcym nastpuje obrbka matematyczna sygnau e zgodnie z algorytmem zalenym od rodzaju regulatora i powstay sygna wielkoci regulujcej u = f (e) jest doprowadzany do urzdzenia wykonawczego, ktre porednio wpywa na warto regulowanego parametru x. W ten sposb nastpuje zamknicie ptli automatycznego ujemnego sprzenia zwrotnego, stanowicego zasadnicz cech ukadu regulacji automatycznej.

Rys. 2.1. Schemat zamknitego ukadu regulacji automatycznej

4 Przeanalizujmy przykad zamknitego ukadu automatycznej regulacji temperatury cieczy ogrzewanej w rurkowym wymienniku ciepa (rys. 2.2). Do komory grzejnej wymiennika, przez ktry przepywa ogrzewana ciecz, dopywa przez zawr regulacyjny z siownikiem (urzdzenie wykonawcze regulatora) strumie pary grzejnej

& z nateniem V . Temperatura cieczy opuszczajcej wymiennik (T) ma by staa,niezalena od zmian natenia jej przepywu, jej temperatury przed ogrzaniem i cinienia pary grzejnej (wielkoci zakcajcych). Zesp pomiarowy przetwarza wielko temperatury cieczy x = T na sygna wielkoci regulowanej y = f (x) . Sygna ten jest

nastpnie porwnywany w czonie sumujcym z sygnaem temperatury zadanej w z zadajnika.

Rys. 2.2. Przykad zamknitego ukadu regulacji automatycznej

Jeeli temperatura cieczy na wyjciu wymiennika jest nisza od zadanej (y < w), odchylenie (uchyb) regulacji e = w - y jest dodatnie i czon ksztatujcy regulatora wysya do urzdzenia wykonawczego taki sygna wielkoci regulujcej u = f(e), e nastpuje otwieranie zaworu na dopywie pary grzejnej do wymiennika. Strumie pary grzejnej wzrasta i temperatura cieczy osiga zadan warto. Jeeli temperatura T przekroczy zadany poziom (y > w), odchylenie regulacji stanie si ujemne i regulator bdzie przymyka zawr, doprowadzajc powtrnie temperatur cieczy do wartoci zadanej.

5 W ten sposb zakcenia spowodowane zmiennymi parametrami ogrzewanej cieczy i pary grzejnej zostan automatycznie skompensowane i temperatura cieczy opuszczajcej wymiennik ciepa bdzie automatycznie, bez udziau czowieka utrzymywana na zadanym poziomie. Kada zmiana wartoci T spowoduje zwrotne oddziaywanie ukadu ogrzewajcego w takim kierunku, eby tej zmianie przeciwdziaa. Mamy tu wic do czynienia z wystpowaniem stabilizujcego, ujemnego sprzenia zwrotnego. Czon ksztatujcy regulatora zawsze okrela funkcj: u = f ( w y ) = f (e) (2.1)

Charakter tej funkcji jest zaleny od rodzaju tego regulatora (dwupooeniowy, analogowy, P, PI, czy PID). Ukad automatycznej regulacji realizuje te same czynnoci, ktre przy rcznym sterowaniu w ukadzie zamknitym (jak na rys. 1.1) wykonywa operator. Dziaa on jednak bez udziau czowieka, a jedynym zewntrznym elementem do ktrego mamy dostp jest pokrto lub klawiatura zadajnika.

3. LITERATURA [1] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002.

[2] Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. [3] elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa: dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez pisemnej zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

DOWIADCZALNE OKRELANIE WACIWOCI UKADW POMIAROWYCH I REGULACYJNYCH

Tak zwana identyfikacja charakteru i waciwoci obiektu regulacji, a zwykle i caego ukadu pomiarowo-regulacyjnego, jest podstawowym warunkiem prawidowego zaprojektowania ukadu regulacji oraz dobrania warunkw jego pracy. Waciwoci obiektu mog by w wikszoci przypadkw okrelone z wyprowadzonego wzoru (modelu) matematycznego, czsto jednak atwiejsze jest dowiadczalne wyznaczenie charakterystyk badanego ukadu. Waciwoci przetwornikw i obiektw powinny by w zasadzie okrelone przez technologa, ktry najlepiej rozumie fizyczn i chemiczn stron procesu zachodzcego w danym urzdzeniu. Dopiero w trudniejszych przypadkach jest tu konieczna pomoc automatyka. Niej podano oglne zasady okrelania charakterystyk obiektu regulacji. Bardziej szczegowe informacje na ten temat zawiera literatura [1,3].

1. WACIWOCI STATYCZNE - WZMOCNIENIE STATYCZNE Waciwoci statyczne ukadw pomiarowych i regulacyjnych s okrelone przez zaleno midzy wielkoci wyjciow Y, a wielkoci wejciow X, w ustalonym stanie dziaania ukadu, tzn. wtedy, kiedy nie wystpuj adne zmiany wartoci zarwno X , jak i Y:

Y = f (X )

(1.1)

Wyznaczenie waciwoci statycznych badanego ukadu wymaga zainstalowania dwch przetwornikw pomiarowych: przetwornika sygnau wejciowego i przetwornika sygnau wyjciowego. Przetworniki te uruchamiaj odpowiednie mierniki wyjciowe, dwukanaowy rejestrator lub s poczone z systemem komputerowym. Zmieniajc skokowo wartoci sygnau wejciowego X, rejestruje si odpowiadajce im wartoci sygnau wyjciowego Y po ich ustaleniu si (rys. 1.1). Naley przy tym zwrci uwag, czy zmienne wielkoci zakcajce Z nie znieksztacaj przebiegu charakterystyki. Pomiary powinny by przeprowadzone w caym mogcym wchodzi w gr zakresie zmian sygnaw X i Y, co jest moliwe tylko w ukadach wyczonych z normalnej eksploatacji lub dowiadczalnych. W warunkach ruchowych naley ograniczy si do

2 wyznaczenia niewielkiego odcinka charakterystyki w pobliu punktu normalnej pracy ukadu (Xpr ).

Rys. 1.1. Wyznaczanie charakterystyki statycznej

Wynikiem pomiaru jest charakterystyka Y = f(X) w warunkach statycznych. Metod analityczn lub graficzn mona wyznaczy nachylenie caej charakterystykiY X

(wzmocnienie statyczne obiektu K) lub w przypadku jej nieliniowego przebiegu, nachylenie Y w punkcie normalnej pracy obiektu (wzmocnienie rniczkowe obiektu K ). X X pr

Wykres rwnania opisujcego statyczne waciwoci ukadu liniowego przedstawia rysunek 1.2.a.

Rys. 1.2. Charakterystyka statyczna ukadu liniowego (a) i nieliniowego linearyzowanego (b)

3 Wyrnikiem statycznych waciwoci ukadu jest jego wzmocnienie statyczne K, czyli stosunekdY . W ukadach liniowych, przy prostoliniowym przebiegu charakterystyki dX Y . W ukadach nieliniowych rwnanie charakterystyki statycznej X

statycznej, wzmocnienie statyczne ma warto sta (rys. 1.2.a) i moe by wyznaczone np. ze stosunku przyrostw

nie jest rwnaniem prostej, jednake w wielu przypadkach mona wybra liniowy odcinek tej charakterystyki lub dokona jej linearyzacji w otoczeniu wybranego punktu, nazywanego punktem normalnej pracy ukadu (Xpr na rys. 1.2.b). Wzmocnienie ukadu jest wtedy wyznaczane z nachylenia stycznej w punkcie Xpr i nosi nazw wzmocnienia rniczkowego K .

2. WACIWOCI DYNAMICZNE - ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE

Wyznaczenie waciwoci dynamicznych badanego ukadu wymaga wykonania skoku wielkoci wejciowej obiektu (wymuszenia skokowego Xst ) i zbadania przebiegu odpowiedzi sygnau wyjciowego Y ( ) . Pomiaru charakterystyki dokonuje si najczciej w niewielkim obszarze wok wybranego punktu pracy ukadu, przy skoku wartoci X wynoszcym 5 do 15% caego normalnego zakresu zmian tej wielkoci. Jest to bardzo istotne zwaszcza w przypadku ukadw nieliniowych z linearyzowan charakterystyk statyczn. Wykonanie wikszych wymusze jest zreszt moliwe tylko w ukadach wyczonych z normalnej eksploatacji lub dowiadczalnych. Wyznaczenie odpowiedzi ukadu na wymuszenie skokowe wymaga zainstalowania przyrzdw przedstawionych na rysunku 2.1. Na wejciu badanego ukadu U znajduje si przecznik R sygnau wejciowego, umoliwiajcy skokow zmian tego sygnau z wartociX1 na warto X2 lub odwrotnie. Wielko wymuszenia skokowego jest mierzona zespoem

pomiarowym P1M1 i moe by rejestrowana jednym z kanaw rejestratora RS. Po wykonaniu wymuszenia (skoku wartoci X), bada si odpowied ukadu (zmian wartoci sygnau Y w funkcji czasu) przy pomocy zespou pomiarowego P2M2 i czasomierza lub korzystajc z drugiego kanau rejestratora RS.

4

Rys. 2.1. Wyznaczenie odpowiedzi na wymuszenie skokowe

Podstawowym warunkiem dokadnego wyznaczenia charakterystyki dynamicznej jest maa, w porwnaniu z badanym ukadem, inercja zespow pomiarowych P1M1 i M P2M2, a take stao w czasie wielkoci zakcajcych Z. W celu dokadnego przedstawienia charakterystyki bez korzystania z rejestratora, naley uzyska odpowiednio du liczb punktw do sporzdzenia wykresu. Z wykresu odpowiedzi na wymuszenie skokowe wyznacza si podstawowe wskaniki dynamicznych waciwoci badanego obiektu - sta czasow lub parametry zastpcze w przypadku ukadw zoonych - zastpcz sta czasow i zastpczy czas opnienia. Sposoby wyznaczania tych parametrw podano niej.

2.1. METODY WYZNACZANIA STAEJ CZASOWEJ CZONW INERCYJNYCH I RZDU 2.1.1. SPOSOBEM GRAFICZNYM

Wyznaczenie staej czasowej ukadu inercyjnego I rzdu, sposobem graficznym polega na wykreleniu stycznej do przebiegu odpowiedzi na wymuszenie skokowe w jej pocztkowym punkcie = 0 . Przy przebiegu funkcji Y ( ) dcym do wartoci rnej od

5 zera (rys. 2.2.a), kreli si nastpnie asymptot charakterystyki na poziomie K X st = . Rzutujc punkt przecicia stycznej z asymptot na o odcitych, otrzymujemy punkt = T i okrelamy tym samym warto staej czasowej analizowanego ukadu.

Rys. 2.2. Wyznaczanie staej czasowej sposobem graficznym i z wartoci charakterystyki skokowej w punkcie = T dla przebiegu funkcji Y ( ) dcego do Y 0 (a) i Y = 0 (b) Przy przebiegu funkcji Y ( ) dcym do zera (rys. 2.2.b) postpuje si podobnie z tym, e asymptot charakterystyki jest o odcitych. Warto staej czasowej ukadu okrela wtedy punkt przecicia stycznej z osi odcitych. Ze wzgldu na trudno precyzyjnego wykrelenia stycznej do przebiegu charakterystyki skokowej w punkcie = 0 , graficzne wyznaczenie staej czasowej ukadu inercyjnego I rzdu daje wynik przybliony.

2.1.2. Z NACHYLENIA CHARAKTERYSTYKI SKOKOWEJ W DANYM PUNKCIE

Przeksztacajc rwnanie charakterystyki dynamicznej czonu inercyjnego I rzdu:T dY +Y = K X d

(2.1)

6 otrzymamy zaleno:T= K X Y dY d

(2.2)

w ktrej X jest wartoci Xst po wykonaniu wymuszenia skokowego. Jeeli przyj, e w punkcie n , K X stdY jest nachyleniem charakterystyki dynamicznej skokowej d

jest wartoci Y w czasie = (asymptot charakterystyki Y ),

Y wartoci rzdnej w punkcie n, otrzymamy wzr na obliczenie staej czasowej T :T= Y Yn dY d n

(2.3)

Przy przebiegu funkcji Y ( ) dcym do asymptoty Y 0 (rys. 2.2.a), jest konieczna znajomo wartoci wszystkich skadnikw prawej strony rwnania (2.3). Przy przebiegu funkcji Y ( ) dcym do zera (rys. 2.2.b), rwnanie (2.3) upraszcza si, poniewaY = 0 .

W praktyce punkt n obiera si na mao zakrzywionym, stromym odcinku wykresu charakterystyki skokowej, a nachylenie tej charakterystyki okrela si dla bezporedniego otoczenia wybranego punktu. W celu zwikszenia dokadnoci oblicze, naley wyznaczy redni sta czasow dla kilku rnych punktw charakterystyki.

2.1.3. Z WARTOCI CHARAKTERYSTYKI SKOKOWEJ W PUNKCIE = T

Cakujc rwnanie charakterystyki dynamicznej ukadu inercyjnego I rzdu (2.1), otrzymamy dla przebiegu funkcji Y ( ) dcego do wartoci rnej od zera zaleno:

Y ( ) = K X e

T

(2.4)

gdzie X jest wartoci Xst po wykonaniu wymuszenia skokowego. W czasie = T otrzymamy 1 e 1 = 0,632 , czyli Y ( ) = 0,632 K X st . Oznacza

to, e w czonie inercyjnym I rzdu po czasie rwnym staej czasowej od wykonania

7 wymuszenia skokowego, warto Y osiga 63,2 % swojej wartoci maksymalnej K X st = Y (rys. 2.2.a). Znajc warto Y mona atwo obliczy warto staej czasowej czonu. Dla przebiegu funkcji Y ( ) dcego do zera, po scakowaniu rwnania (2.1) otrzymamy zaleno:Y ( ) = K X e

T

(2.5)

gdzie X jest pocztkow wartoci X 0 przed wykonaniem wymuszenia skokowego. W czasie = T otrzymamy e 1 = 0,368 , czyli Y ( ) = 0,368 K X 0 . Oznacza to, e po czasie T od wymuszenia skokowego warto Y osiga 36,8 % swojej wartoci pocztkowejK X 0 = Y0 , czyli spada o 63,2 % (rys. 2.2.b). Znajc warto Y0 atwo mona obliczy

warto staej czasowej ukadu.

3. WACIWOCI DYNAMICZNE UKADW ZOONYCH

Liniowe ukady zoone, zbudowane z dwch lub wikszej liczby poczonych ze sob (najczciej szeregowo) czonw elementarnych, klasyfikuje si w zalenoci od cechy samodzielnego osigania lub nieosigania stanu rwnowagi trwaej po wprowadzeniu wymuszenia skokowego na dwie grupy: a) ukady statyczne, b) ukady astatyczne. Ukady astatyczne zawieraj przynajmniej jeden element cakujcy. Ukady statyczne nie zawieraj elementw o waciwociach cakujcych. Najczciej spotykany w praktyce ukad inercyjny wyszego rzdu skada si z poczonych szeregowo elementw inercyjnych I rzdu (przykadem moe by szeregowy przepywowy reaktor wielozbiornikowy). Rzd ukadu wyznacza liczba poczonych elementw. Czsto rwnania opisujce waciwoci spotykanych w praktyce zoonych obiektw pomiarowo-regulacyjnych nie s dostatecznie znane i wyznaczenie ich transmitancji jest niemoliwe. Ponadto niektre rodzaje obiektw, np. procesy cieplne lub dyfuzyjne, charakteryzuj si inercyjnoci wysokiego rzdu i analityczne wyznaczanie ich transmitancji ma mae znaczenie praktyczne, gdy prowadzi czsto do wynikw niecisych lub trudnych

8 do wykorzystania ze wzgldu na zoon form matematyczn. W takich przypadkach czsto lepiej jest opiera si na dowiadczalnie wyznaczonych odpowiedziach na wymuszenia skokowe, ktre mona aproksymowa w umowny sposb. W przypadku ukadw statycznych, ktrych odpowiedzi na wymuszenia skokowe nie maj charakteru oscylacyjnego, wyznaczon dowiadczalnie krzyw odpowiedzi na wymuszenie skokowe aproksymuje si graficznie za pomoc opnienia i inercyjnoci pierwszego rzdu, zgodnie z rysunkiem 3.2. Prowadzi si styczn do charakterystyki w punkcie przegicia. Przy przebiegu funkcji Y ( ) dcym do wartoci rnej od zera, styczna ta odcina na osi czasu i prostej na poziomie K X st = Y zastpcze parametry

ukadu: czas opnienia oz oraz sta czasow Tz . Z pooenia asymptoty przebiegu Y ( ) mona okreli wzmocnienie statyczne ukadu K.

Rys. 3.1. Aproksymowanie odpowiedzi na wymuszenie skokowe ukadu inercyjnego wyszego (II) rzdu

W podobny sposb wyznacza si zastpcze parametry dynamiczne ukadu przy dcym do zera przebiegu funkcji Y ( ) , z tym, e styczna odcina je na osi czasu i prostej na poziomie K X 0 = Y0 . Wystpowanie przegicia w przebiegu charakterystyki skokowej ukadu inercyjnego wyszego rzdu znacznie uatwia wykrelenie stycznej i pozwala osign do du dokadno metody graficznej.

9

4. LITERATURA [1] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002.

[2] Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. [3] elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa:

dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez pisemnej zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

1. PRZEPYWOWY GSTOCIOMIERZ HYDROSTATYCZNY DO POMIARU STENIA ROZTWORW

Cel zadania: Poznanie cigego pomiaru gstoci cieczy prost metod fizyczn. Kalibrowanie gstociomierza i okrelenie jego waciwoci dynamicznych. Poznanie dziaania transformatorowego czujnika przesunicia liniowego.

1.1.

KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU Gstociomierz (rys. 1.1) skada si z pionowej rury pomiarowej Q, zakoczonej

w grnej czci przelewem P, umoliwiajcym utrzymanie staej wysokoci supa cieczy h1 (patrz [1], rozdz. 12.3.3). Ciecz o mierzonej gstoci x dopywa do rury pomiarowej z jednego & ze zbiornikw przez ukad zaworw i rotametr R mierzcy natenie przepywu V1 . Do dolnego koca rury pomiarowej jest rwnie podczony wylot przewodu, przez ktry przepywa & z nateniem V2 ciecz o staej gstoci y . eby unikn bdu pomiaru spowodowanego & mieszaniem si cieczy o gstoci x z ciecz o gstoci y , natenie przepywu V2 jest & wielokrotnie mniejsze od V1 .

Rys. 1.1. Schemat gstociomierza

1-2 Cinienie hydrostatyczne supa cieczy o mierzonej gstoci y jest rwnowaone przez cinienie supa cieczy o gstoci x zgodnie z rwnaniem: h1 x g = h2 2 g gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim. Poniewa gsto y ma warto sta i wysoko supa cieczy h1 jest rwnie staa, wysoko supa cieczy h2 jest liniow funkcj mierzonej gstoci x. Zmian wysokoci supa cieczy h2 , powstajc w wyniku zmiany gstoci o x okrela w warunkach statycznych zaleno: h2 = h1 x = K x (1.2) (1.1)

y

Z rwnania 1.2

wynika, e w celu osignicia duej dokadnoci pomiaru (duej

wartoci staej K) naley stosowa moliwie du wysoko supa cieczy h1. Poniewa gsto cieczy jest funkcj temperatury, przy bardzo dokadnych pomiarach jest rwnie konieczne uzyskanie jednakowych temperatur cieczy o porwnywanych gstociach, co moe by zrealizowane np. przez umieszczenie rurki z ciecz o gstoci y wewntrz rury pomiarowej z ciecz o gstoci x . Zmiany poziomu cieczy h2 powoduj przesuwanie si pywaka N zanurzonego w tej cieczy. Z kolei przesunicie pywaka jest przetwarzane na analogowy sygna elektryczny w transformatorowym czujniku przesunicia liniowego C i wskazywane przez miernik M. Dziaanie czujnika przesunicia (transformatora rnicowego), wyjania rysunek 1.2 (patrz te [1], rozdz. 10.1.6.B). Pywak N zawiera wewntrz rdze ferromagnetyczny F. Rdze ten znajduje si w obszarze oddziaywania strumieni magnetycznych z uzwoje pierwotnych L1 i L2 transformatora rnicowego. Uzwojenia s zasilane napiciem przemiennym Uz i poczone w ten sposb, e w poowie odlegoci midzy nimi przeciwnie skierowane strumienie magnetyczne kompensuj si. Jeeli wic rdze pywaka znajduje si w poowie odlegoci midzy uzwojeniami L1 i L2, to w uzwojeniu wtrnym L3 nie bdzie si wzbudzao napicie. Wystarczy jednak, by pywak przesun si nieco w gr lub w d, eby zostaa naruszona rwnowaga ukadu. Uzwojenie L3 sprzgnie si silniej z uzwojeniem L1 lub L2 i wzbudzi si w nim napicie proporcjonalne do przesunicia rdzenia pywaka. Napicie to jest prostowane w detektorze D i poprzez nastawiany rcznie dzielnik (potencjometr) kalibrowania przyrzdu PK doprowadzane do miernika magnetoelektrycznego M.

1-3

Rys. 1.2. Transformatorowy czujnik przesunicia liniowego

Charakterystyk statyczn transformatorowego czujnika przesunicia liniowego i zarazem charakterystyk statyczn gstociomierza przedstawia rysunek 1.3.

Rys. 1.3. Charakterystyka statyczna transformatorowego czujnika przesunicia liniowego

1-4 Wykres charakterystyki pokazuje zaleno napicia Ux wskazywanego przez miernik gstociomierza, od pooenia pywaka h2 w czujniku transformatorowym (gstoci cieczy x ). Zerowa warto napicia Ux odpowiada symetrycznemu pooeniu pywaka midzy uzwojeniami L1 i L2 . Poniewa charakterystyka czujnika jest liniowa, wystarczy okreli tylko dwa punkty: minimalny poziom h2 min (Ux = 0), ktremu odpowiada minimalna warto mierzonej gstoci

x min oraz maksymalny poziom h2 max , ktremu odpowiada maksymalna warto mierzonejgstoci

x max . Ze wzrostem gstoci, napicie wyjciowe czujnika powinno rosn,

korzystamy wic tylko z grnej czci charakterystyki (linia ciga na wykresie). Wyznaczajc charakterystyk statyczn gstociomierza przez okrelenie jej

pocztkowego i kocowego punktu, uywamy dwch roztworw o znanych gstociach. W ten sposb dokonujemy kalibrowania przyrzdu metod wychyow. Naley zwrci uwag, e drugi punkt charakterystyki nie musi by wyznaczony przy x max lecz przy jakiejkolwiek znanej wartoci x rnej od x min . Dokadno kalibrowania bdzie jednak wtedy mniejsza, ze wzgldu na mniejsz odlego midzy punktami.

1.2.

ZEROWANIE GSTOCIOMIERZA Zerowanie gstociomierza polega na znalezieniu pooenia minimum wykresu

charakterystyki statycznej przyrzdu, podczas przepuszczania przez rur pomiarow cieczy o minimalnej mierzonej gstoci x min . Ciecz t bdzie w tym przypadku woda wodocigowa o gstoci okoo 1000 kg/m3 w temperaturze +20 oC. Ciecz o gstoci y (porwnawcz), bdzie podczas wszystkich dowiadcze woda destylowana o gstoci 1000 kg/m w temperaturze +20 oC. W tych warunkach, w czasie zerowania gstociomierza x y i poziomy cieczy h1 oraz h2 bd zblione. Naley wczy zasilanie czujnika transformatorowego wycznikiem Ws . Powinna zawieci si lampka sygnalizacyjna. Pokrto kalibrowania przyrzdu (PK) przekrci do oporu w prawo, czyli nastawi maksymalne nachylenie charakterystyki statycznej gstociomierza. Otwierajc zawr napywowy Z1 (zawr Z2 zamknity), doprowadzi wod z butli z napisem woda do rury pomiarowej gstociomierza. Obserwujc wskazania rotametru (grna paszczyzna nurnika!), ustali ciskaczem & rubowym S1 natenie przepywu V1 = 25 1 dm3/godz. Okresowo naley kontrolowa warto

1-5 & V1 i zapas wody w butli, uzupeniajc go w razie potrzeby z instalacji wodocigowej. Nie wolno dopuci do cakowitego oprnienia si butli, jak rwnie do jej przepenienia! Automatyczny ukad zabezpieczajcy sygnalizuje akustycznie stan przepenienia butli! Uruchomi dopyw wody destylowanej do czujnika poziomu cieczy. Woda powinna & kapa w iloci 2 - 3 krople na sekund ( V2 ). Okresowo naley kontrolowa rwnie ten przepyw wody destylowanej. Po odczekaniu okoo 5 minut na ustalenie si warunkw pracy przyrzdu, naley przesuwajc bardzo wolno cay czujnik transformatorowy w gr lub w d nakrtk podtrzymujc znale takie jego pooenie, przy ktrym wskazwka miernika gstoci osignie minimalne wychylenie na dziace 1000 kg/m3 (Ux = 0). Gstociomierz zosta wyzerowany i do & koca wykonywania zadania czujnik nie moe by ju przesuwany! Przepyw wody V1 naley zamkn zaworem Z1 , nie poruszajc ciskacza rubowego S1.

1.3. KALIBROWANIE GSTOCIOMIERZA Kalibrowanie gstociomierza polega na ustaleniu pooenia drugiego punktu wykresu charakterystyki statycznej przyrzdu, podczas przepuszczania przez gstociomierz cieczy o okrelonej gstoci x . Ciecz t bdzie roztwr melasowy o znanej pozornej zawartoci suchej substancji (Bx), oznaczonej za pomoc refraktometru. Gsto takiego roztworu moe by odczytana z odpowiednich tabel, unikamy w ten sposb jej wyznaczania. Naley sporzdzi 15 dm3 roztworu melasowego o zawartoci suchej substancji 1 % (Bx = 1) i x = 1004 kg/m3 w temperaturze +20 oC. W tym celu trzeba najpierw przygotowa roztwr o zawartoci 20 0,5 % suchej substancji (Bx = 20 0,5), kontrolujc jego stenie refraktometrem (okoo 250 g melasu rozciecza powoli wod wodocigow, a do uzyskania wymaganego stenia). Nastpnie stony roztwr rozcieczy wod 20-krotnie w stosunku wagowym, wlewajc 700 cm3 tego roztworu (0,75 kg) przez lejek do butli z napisem melas, do ktrej poprzednio wlano 14,3 dm3 (do kreski) wody wodocigowej. Otrzymany roztwr wymiesza spronym powietrzem z dmuchawy, nie zdejmujc butli z pki. Przez gstociomierz przepuszcza roztwr melasowy o gstoci 1004 kg/m z butli & z wydajnoci V1 = 25 1 dm3/godz., otwierajc zawr Z2 i nastawiajc przepyw ciskaczem rubowym S2 . Sprawdzi kapanie wody destylowanej! Po wypenieniu si rury pomiarowej gstociomierza roztworem melasowym, ustawia pokrtem kalibrowania PK wskazwk miernika gstoci na dziak 1004 kg/m3 a do momentu, kiedy wskazania bd stae co

1-6 najmniej przez dwie minuty. Po przeprowadzeniu kalibrowania, pokrta PK nie wolno porusza do koca wykonywania zadania! Poniewa kalibrowanie gstociomierza nie zmienia pooenia poprzednio ustalonego zerowego punktu charakterystyki statycznej, lecz tylko jej nachylenie (wzmocnienie przetwornika gstoci), przyrzd mamy nastawiony w punktach x = 1000 kg/m3 i x = 1004 kg/m3. Przy zaoeniu liniowoci charakterystyki pomiarowej gstociomierza (rwnanie 1.2), przyrzd jest gotowy do cigych pomiarw gstoci w zakresie od 1000 do 1004 kg/m3. Po wykalibrowaniu gstociomierza, dopyw roztworu melasowego mona zamkn zaworem Z2, nie poruszajc ciskacza rubowego S2. Przy braku przepywu roztworu przez rur pomiarow przyrzdu, wskazwka miernika moe zej z dziaki 1004 kg/m3 .

1.4. WACIWOCI DYNAMICZNE GSTOCIOMIERZA Naley zbada odpowied gstociomierza na skokowe wymuszenie na jego wejciu (charakterystyk dynamiczn skokow przyrzdu) i okreli podstawowe parametry dynamiczne - zastpcz sta czasow oraz zastpczy czas opnienia. Dowiadczenie polega na wprowadzeniu 21.3.2). Na wstpie naley wyprze z gstociomierza roztwr melasowy, przepuszczajc przez rur pomiarow wod wodocigow z butli, z wydajnoci okoo 25 dm3/godz. W razie potrzeby uzupeni zapas wody w butli! Sprawdzi kapanie wody destylowanej! Obserwowa powolny spadek wskaza miernika gstoci. Po ustaleniu si wskaza miernika w pobliu 1000 kg/m3 naley przygotowa sekundomierz, tabele na wyniki pomiarw i podzieli czynnoci midzy wykonujcych zadanie: jedna z osb pilnuje natenia przepywu & V1 i przecza zawory, pozostae okrelaj zaleno wskaza miernika gstoci od czasu. Na umwiony sygna - pocztek mierzenia czasu naley szybko zamkn zaworem Z1 dopyw wody do gstociomierza i otworzy zaworem Z2 dopyw roztworu melasowego z butli, & natychmiast korygujc ciskaczem S2 natenie przepywu V1 do wartoci 20 1 dm3/godz. Od tego momentu notowa wskazania miernika gstoci co 10 sekund z dokadnoci 0,1 kg/m3. Pierwszego odczytu dokona w czasie = 0 . Gdy wskazania miernika ustal si w pobliu 1004 kg/m3, notowa je jeszcze przez minut. skokowej zmiany gstoci cieczy dopywajcej do gstociomierza i obserwowaniu, jak przebiegaj w czasie zmiany wskaza miernika gstoci (patrz [1], rozdz.

1-7 Uzupeni zapas wody w butli. Na umwiony sygna, mierzc czas od nowa, szybko zamkn zaworem Z2 dopyw roztworu melasu i otworzy zaworem Z1 dopyw wody z butli, & natychmiast ustalajc ciskaczem S1 natenie przepywu V1 = 20 1 dm3/godz. Znw co 10 sekund notowa wskazania miernika gstoci z dokadnoci 0,1 kg/m3, a do ich ustalenia si przez minut w pobliu 1000 kg/m3 . Pierwszego odczytu dokona w czasie = 0 . Powtrzy powysze czynnoci wypierajc wod roztworem melasowym, a nastpnie & roztwr melasowy wod przy V1 = 25 1 dm3/godz. Pomiary zakoczy wypierajc wod roztworem melasowym, a nastpnie roztwr & melasowy wod przy V1 = 30 1 dm3/godz.

1.5. ZAKOCZENIE ZADANIA Zamkn zawory Z1 i Z2 . Spuci reszt roztworu melasowego z butli, odczajc przewd doprowadzajcy do niej wod z sieci wodocigowej (zdejmujc w z cznika przy zaworze wodnym). Przepuka dokadnie (kilkakrotnie) butl melas, napeniajc j na koniec wod do kreski. Otworzy zawr Z2 i przepuszcza wod przez gstociomierz z wydajnoci okoo 25 dm3/godz., a wskazania miernika gstoci ustal si w pobliu 1000 kg/m3 przez co najmniej 5 minut. Zamkn zawr Z2 . Sprawdzi zamknicie zaworw wodnych, sucych do napeniania butli. Zamkn dopyw wody destylowanej do czujnika poziomu cieczy. Wyczy zasilanie elektryczne czujnika poziomu cieczy. Umy refraktometr i sprzt szklany.

1.6.

OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE Sporzdzi na arkuszu papieru milimetrowego o formacie A-4 wykresy charakterystyk

dynamicznych gstociomierza x = f ( ) dla wypierania wody roztworem melasowym przy & trzech badanych wartociach natenia przepywu V1 = 20, 25 i 30 dm3/godz. we wsplnym ukadzie wsprzdnych. Wyznaczy graficznie zastpcze stae czasowe Tz i zastpcze czasy opnienia oz (patrz [1], rozdzia 16.3.2, rys. 16.20). Podobnie sporzdzi na wsplnym rysunku wykresy x = f ( ) dla wypierania & roztworu melasowego wod rwnie przy trzech badanych wartociach V1 . Wyznaczy graficznie wartoci Tz i oz .

1-8 Korzystajc ze wzoru 1.2 obliczy zmian wysokoci supa wody h2 odpowiadajc zmianie gstoci cieczy x od 1000 do 1004 kg/m3 . Przyj h1 = 170 cm.

1.7.

SPRAWOZDANIE Sprawozdanie z wykonania zadania powinno zawiera: prosty schemat caego okadu gstociomierza z krtkim opisem, tabele z wynikami pomiarw, wykresy charakterystyk dynamicznych gstociomierza, zestawienie wyznaczonych wartoci oz i Tz (tabelka), obliczenie zmiany wysokoci supa wody h2 odpowiadajc zmianie gstoci cieczy x od 1000 do 1004 kg/m3 wnioski dotyczce wszystkich wykonanych dowiadcze i wyznaczonych wartoci Tz i oz .

1.8. LITERATURA Podstawowymi rdami umoliwiajcymi poszerzenie materiau zawartego

w instrukcji s notatki z wykadw "Pomiary i automatyka" z II roku studiw na Wydziale Chemii Spoywczej i Biotechnologii oraz ksiki: [1] [2] [3] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002. Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa:

dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

2. KONDUKTOMETR PRZEPYWOWY JAKO OBIEKT WSPOMAGANEGO KOMPUTEROWO BADANIA STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH WACIWOCI CZONW INERCYJNYCH

Cel zadania: Poznanie zastosowania przepywowego konduktometru do cigego pomiaru stenia roztworu elektrolitu. Zbiorniki przepywowe jako obiekty inercyjne pierwszego i drugiego rzdu. Komputerowe wspomaganie identyfikacji statycznych i dynamicznych waciwoci ukadu pomiarowego. Wyznaczanie staej czasowej czonw inercyjnych rnymi metodami.

2.1. KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU Schemat elektryczny konduktometru przedstawia rysunek 2.1. Obnione

w transformatorze TR napicie z sieci elektrycznej jest prostowane i stabilizowane w zasilaczu Z. Generator G przetwarza stae napicie z zasilacza na sinusoidalne napicie przemienne o czstotliwoci ok. 500 Hz i staej amplitudzie. Zasilanie obwodu konduktometrycznego napiciem przemiennym o podwyszonej czstotliwoci jest zwizane z koniecznoci uniknicia zjawiska polaryzacji elektrod pomiarowych (patrz te [1], rozdz. 12.7.2).

Rys. 2.1. Schemat elektryczny konduktometru Do nastawiania wartoci napicia u zasilajcego obwd konduktometryczny suy dzielnik napicia (potencjometr) P, a warto tego napicia jest mierzona miernikiem Mu . Obwd konduktometryczny zamykaj rezystor pomiarowy Rp i rezystancja Re czujnika konduktometrycznego E, wykonanego w postaci szklanej rurki z wtopionymi dwiema elektrodami platynowymi.

2-2 Warto natenia prdu i pyncego w obwodzie konduktometrycznym mona okreli rwnaniem:i= u u = R p + Re R + 1 p S

(2.1)

gdzie: u - warto napicia zasilajcego obwd, Rp - rezystancja pomiarowa, Re - rezystancja roztworu midzy elektrodami, S - konduktancja roztworu midzy elektrodami. Jeeli R p >> Re , to mona przyj, e:

i=

u = uS Re

(2.2)

Zakadajc sta warto napicia u zasilajcego obwd konduktometryczny, otrzymamy:i = K1 S

(2.3)

Do mierzenia wartoci natenia prdu i suy rezystor pomiarowy Rp , na ktrym spadek napicia wynosi zgodnie z prawem Ohma:

u p = Rp i = Rp u S = K 2 S

(2.4)

Warto napicia up jest wic liniow funkcj konduktancji S roztworu w czujniku konduktometrycznym. Napicie to jest wzmacniane przez wzmacniacz elektroniczny T, prostowane w detektorze D i wskazywane przez miernik magnetoelektryczny M . Z prawej strony tablicy z ukadem konduktometru znajduje si przedstawiony schematycznie na rysunku 2.2 zestaw zbiornikw, sucy do badania dynamicznych waciwoci czonw inercyjnych. Najwikszy zbiornik Q suy do dozowania roztworu bezporednio do czujnika konduktometrycznego E lub do ktrego ze zbiornikw przelewowych

Z1 albo Z2 . W zbiornikach przelewowych s umieszczone mieszada z napdem elektrycznym.Zbiorniki Z1 i Z2 napenia si od dou przez lejki dopywowe. Do dozowania wody rozcieczajcej roztwr znajdujcy si w zbiornikach suy toczkowa mikropompka dozujca

D.

2-3

Rys. 2.2. Schemat zestawu zbiornikw do badania dynamicznych waciwoci obiektw inercyjnych

Uwaga !

wiczenie moe by wykonywane w dwch wariantach. Cakowicie rcznie lub ze wspomaganiem komputerowym. Obsuga rczna jest stosowana wycznie w przypadku awarii ukadu komputerowego. W celu umoliwienia korzystania ze wspomagajcego mikrokomputera, sygnay napiciowe u i up z konduktometru doprowadzono dodatkowo do poczonego

z komputerem specjalnego interfejsu (przetwornika analogowo-cyfrowego). Komputer jest wyposaony w monitor kontrolny wywietlajcy niezbdne informacje oraz jest poczony z analogowym ploterem, wykrelajcym wykresy i informacje tekstowe (rys.2.3). Przed rozpoczciem wiczenia w wersji ze wspomaganiem komputerowym naley poprosi laboranta o uruchomienie ukadu komputera!Uwanie czyta wszystkie informacie wywietlane na ekranie monitora!

2-4

Plansza wiczenia 2

UpInterfejs Ploter X=f(Y)

U

Monitor Pompka Komputer Magnetofon

Rys. 2.3. Schemat komputerowego wspomagania obsugi wiczenia

2.2. PRZYGOTOWANIE ROZTWORW 1. Przygotowa podstawowy roztwr siarczanu miedziowego o steniu 0,8 %, rozpuszczajc w naczyniu miarowym o pojemnoci 1 dm3 12,5 g CuSO4 5 H2O w wodzie destylowanej. Do odwaenia odczynnika naley uy wagi technicznej. 2. Przygotowa roztwr CuSO4 o steniu 0,4 %, odmierzajc do zlewki 250 cm3 roztworu o steniu 0,8 % i 250 cm3 wody destylowanej (rozcieczy roztwr podstawowy wod w stosunku 1:1 . Zawarto zlewki wymiesza i zaznaczy na zlewce stenie roztworu. 3. Analogicznie przygotowa z czci roztworu o steniu 0,4 % roztwr o steniu 0,2 %, a dalej z czci roztworu 0,2 % roztwr 0,1 % i w taki sam sposb roztwr o steniu 0,05 %.

2.3. NASTAWIANIE CZUOCI KONDUKTOMETRU Pokrto potencjometru P przekrci w lewo do oporu i wczy zasilanie z sieci wycznikiem W1. Przy pracy ze wspomaganiem komputerowym, wycznik ten zosta ju wczony podczas uruchamiania ukadu komputera przez laboranta i do koca wiczenia nie wolno go wycza! Powinna wieci si lampka sygnalizacyjna, woltomierze powinny wskazywa zerowe wartoci napi u i up .

2-5 Przewd odpywowy z pojemnika roztworu Q umieci w lejeczku nad czujnikiem konduktometrycznym. Pod wylot czujnika podstawi du zlewk. Do pojemnika Q wla okoo 250 cm3 roztworu podstawowego o steniu 0,8 % CuSO4, wczy kurkiem przepyw roztworu. Po przepuszczeniu caej porcji roztworu przez czujnik konduktometryczny, naley tak ustawi pokrto potencjometru P, eby osign grny zakres wskaza miernika Mp (wynik pomiaru i sygnalizacja prawidowej wartoci u s pokazywane na ekranie monitora komputera). W ten sposb uzyskuje si maksymalne nachylenie charakterystyki statycznej konduktometru i tym samym maksymaln czuo pomiaru. Zanotowa warto napicia u, odpowiadajc maksymalnej wartoci napicia up. Do koca pomiarw nie wolno ju porusza pokrta potencjometru nastawiania napicia u!

2.4. KALIBROWANIE KONDUKTOMETRU Kalibrowanie, czyli okrelenie przebiegu charakterystyki statycznej konduktometru polega na zbadaniu, jakie wartoci napicia up odpowiadaj znanym steniom c roztworu w czujniku konduktometrycznym, przy danym, staym napiciu u zasilajcym konduktometr. W punkcie 2.3 okrelilimy warto napicia up dla roztworu o steniu 0,8 % CuSO4. Teraz do pojemnika Q naley wla okoo 250 cm3 roztworu o steniu 0,4 % CuSO4 , uruchomi jego przepyw przez czujnik konduktometryczny i po przepyniciu caej porcji odczyta steniu - przy wspomaganiu z miernika warto napicia up odpowiadajc badanemu ekranie monitora warto napicia up . W taki sam sposb naley okreli wartoci napi up odpowiadajce steniom

komputerowym nacisn klawisz SPACE" mikrokomputera i zanotowa wywietlon na

0,2, 0,1 i 0,05 % CuSO4. Kalibrowanie naley zakoczy przepuszczeniem przez czujnik konduktometryczny wody destylowanej, uywanej do sporzdzania roztworw (stenie 0 % CuSO4). Warto napicia up nie musi by w tym przypadku rwna zeru, ze wzgldu na obecno nawet w wodzie destylowanej ladowych iloci zwizkw jonowych. Po kalibrowaniu konduktometr jest przygotowany do cigych pomiarw stenia i mona by, korzystajc z wykresu lub rwnania jego charakterystyki statycznej, wyposay woltomierz up w podziak wyskalowan w procentach stenia CuSO4 . Pomiar byby dokonywany analogow metod wychyow; moliwy byby te pomiar cigy, przepywowy. Przy korzystaniu ze wspomagania komputerowego, na ekranie monitora zostanie pokazana tabelka z wynikami pomiarw, a nastpnie wykres prostej regresji (obliczony metod

2-6 najmniejszych kwadratw), rwnanie prostej regresji i warto wspczynnika korelacji liniowej midzy steniem c roztworu CuSO4 i wartoci napicia wyjciowego up konduktometru.

2.5. BADANIE DYNAMICZNYCH WACIWOCI OBIEKTW INERCYJNYCH Jeeli roztwr CuSO4 nie dopywa do czujnika konduktometrycznego bezporednio, lecz przez zbiorniki porednie, to zmiana jego stenia na dopywie do zbiornikw nie spowoduje ustalenia si wskaza konduktometru natychmiast lecz po pewnym czasie, zalenym od pojemnoci zbiornikw porednich oraz od natenia przepywu roztworu. Zbiorniki stanowi wic obiekt o pewnej bezwadnoci - inercji. Przepuszczajc roztwr przez jeden zbiornik poredni, otrzymamy obiekt inercyjny I rzdu (jednopojemnociowy). Jeeli roztwr bdzie dopywa do czujnika konduktometrycznego szeregowo przez dwa zbiorniki, otrzymamy obiekt inercyjny II rzdu (dwupojemnociowy). Warunkiem uzyskania prawidowych charakterystyk obiektw inercyjnych jest dokadne mieszanie cieczy w zbiornikach (patrz te [1], rozdz. 16.3.2). Waciwoci obiektw (czonw) inercyjnych bdziemy okrela, dokonujc na ich wejciu wymuszenia skokowego (nagej zmiany stenia dopywajcego roztworu) i analizujc przebieg odpowiedzi na wyjciu (zmian stenia roztworu wypywajcego).

2.5.1. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO I RZDU Przewd odpywowy z pojemnika Q umieci w lejeczku na dopywie do pustego zbiornika przelewowego Z1 . Do pojemnika wla okoo 250 cm3 podstawowego roztworu CuSO4 o steniu 0,8 % . Przepuszcza roztwr szeregowo przez zbiornik

Z1 i

czujnik

konduktometryczny. Wskazania miernika Mp powinny si ustali. Przewd sscy mikropompki dozujcej (D na rys. 2.2) naley zanurzy w zlewce z duym (ok. 1 dm3) zapasem wody destylowanej. Wydajno pompki nastawi na 40 cm3/min (praca ciga, 40 tocze na minut, pojemno cylindra pompki 1 cm3 - warto 10,00 na rubie mikrometrycznej). Zakoczony haczykowato wylot przewodu toczcego pompki umieci w oddzielnej zlewce, napeni oraz przepuka pompk uruchamiajc j (tylko przy sterowaniu rcznym!) przyciskiem ON (czerwonym) na ok. 1 minut.

2-7 Przy korzystaniu ze wspomagania komputerowego, zgodnie z wytycznymi

wywietlanymi na ekranie monitora, przycisk ON wcisn na stae, a pompk uruchamia i zatrzymywa korzystajc z klawisza SPACE komputera. Gdy w pojemniku Q zabraknie roztworu, zamkn kurek, odwiesi przewd z pojemnika i woy haczykowaty wylot przewodu toczcego mikropompki do lejeczka dopywowego zbiornika Z1 (rys. 2.2). Przygotowa sekundomierz (tylko przy sterowaniu rcznym!) i tabelk na wyniki pomiarw. Przy rcznej obsudze zadania, w momencie przyjtym za pocztek mierzenia czasu wczy pompk dozujc wod, zapisa wskazania woltomierza Mp w tym momencie i potem co 15 sekund. Gdy warto up spadnie poniej 10% pierwotnej, zakoczy dowiadczenie zatrzymujc pompk. Oprni zbiornik Z1 do zlewki, odhaczajc lejeczek na jego dopywie. Przy korzystaniu ze wspomagania komputerowego, naley postpowa zgodnie z wytycznymi wywietlanymi na ekranie monitora. Pompka zostanie uruchomiona automatycznie i automatycznie, co 15 s bdzie dokonywany pomiar konduktywnoci roztworu opuszczajcego zbiornik przelewowy. Wynik pomiaru zostanie przeliczony na stenie CuSO4 w procentach (z wykorzystaniem rwnania kalibrowania z rozdziau 2.4) i naniesiony na wykres na ekranie monitora. Wyniki pomiarw naley na bieco notowa w tabelce, odczytujc je (czas w sekundach i stenie CuSO4 w %) z ekranu monitora. Komputer sam zakoczy dowiadczenie, na wykres dowiadczalny naniesie wykres bdcy wynikiem aproksymowania funkcyjnego (linia kropkowana), wyznaczy metod graficzn parametry dynamiczne czonu inercyjnego (sta czasow i czas opnienia) oraz wykreli je na papierze plotera.

2.5.2. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO II RZDU Przewd odpywowy z pojemnika Q umieci w lejeczku na dopywie do pustego zbiornika przelewowego Z? . Do pojemnika wla okoo 400 cm3 roztworu podstawowego CuSO4 o steniu 0,8 % (w razie potrzeby przygotowa now porcj roztworu!). Przepuszcza roztwr szeregowo przez zbiorniki Z2 , Z1 i czujnik konduktometryczny; wskazania miernika Mp powinny si ustali. Po oprnieniu pojemnika Q zamkn kurek i odwiesi przewd. Powtrzy dowiadczenie z punktu A, wypierajc wod roztwr nie ze zbiornika Z1 lecz szeregowo ze zbiornikw Z2 i Z1. Wylot przewodu toczcego pompki naley wic woy do lejeczka zasilajcego zbiornik Z2. Pompki ju nie przepukiwa.

2-8 Przy rcznej obsudze zadania, po wczeniu pompki wartoci up odczytywa przez pierwsze 3 minuty co 15 sekund, potem co 30 sekund, a wskazania miernika Mp spadn poniej 10 % pierwotnych. Zatrzyma pompk . Przy korzystaniu ze wspomagania komputerowego, naley postpowa zgodnie z wytycznymi wywietlanymi na ekranie monitora. Pompka znw zostanie uruchomiona automatycznie i automatycznie, co 15 s bdzie dokonywany pomiar konduktywnoci roztworu opuszczajcego zbiornik przelewowy. Wynik pomiaru zostanie przeliczony na stenie CuSO4 i naniesiony na wykres na ekranie monitora. Na wszelki wypadek (np. moliwo awarii ukadu komputerowego) rwnie i na tym etapie wykonywania wiczenia wyniki pomiarw naley na bieco notowa w tabelce, odczytujc je (czas w sekundach i stenie CuSO4 w %) z ekranu monitora. Komputer znowu sam zakoczy dowiadczenie, na wykres dowiadczalny naniesie wykres bdcy wynikiem aproksymowania funkcyjnego (linia kropkowana), wyznaczy metod graficzn parametry dynamiczne czonu inercyjnego (sta czasow i czas opnienia) oraz wykreli je na papierze plotera.

2.6. ZAKOCZENIE ZADANIA Obrci pokrto potencjometru P w lewo, a do zaniku napicia u. W przypadku korzystania ze wspomagania komputerowego postpowa zgodnie z wytycznymi wywietlanymi na ekranie monitora. Po zakoczeniu dziaania plotera i ukadu komputerowego nie wycza zasilania caego ukadu konduktometru wycznikiem W1. Oprni i dokadnie przepuka wod destylowan wszystkie zbiorniki i czujnik konduktometryczny. Zbiorniki pozostawi oprnione. Umy wykorzystywane naczynia!

2.7. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 2.7.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA KONDUKTOMETRU Niezalenie od tego, czy korzystano ze wspomagania komputerowego, czy nie, sporzdzi na papierze milimetrowym o formacie A-4 wykres zalenoci wskaza miernika konduktometru (up) od stenia roztworu CuSO4 (c) dla danego napicia u (rozdz. 2.4). Poniewa badano duy zakres ste CuSO4, wykres nie musi by lini prost.

2-9 2.7.2. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO I RZDU Korzystajc z wykresu charakterystyki statycznej konduktometru up = f (c) oraz tabeli z wynikami badania dynamicznych waciwoci obiektu inercyjnego I rzdu u p = f ( ) lub

tylko c = f ( ) w przypadku korzystania z komputera (rozdz. 2.5.1), sporzdzi na papierze

milimetrowym o formacie A-4 wykres zalenoci c = f ( ) . Wyznaczy sta czasow T badanego czonu metod pierwsz sposobem graficznym ([1], rozdz. 16.2.3). Nastpnie obliczy sta T metod drug z nachylenia wykresu odpowiedzi na wymuszenie skokowe w danym punkcie ([1], rozdz. 16.2) zakadajc, e poziom asymptoty wykresu Y wynosi ck = 0 % CuSO4 :T= ck cx dc d c = c x

(2.5)

W tym celu naley wybra trzy dowolne, ssiednie trjki wyznaczonych punktw, w miejscach regularnego i stromego przebiegu wykresu odpowiedzi na wymuszenie skokowe. Sporzdzi trzy tabelki z obliczeniami: Tabela 2.1. Przykad oblicze Czas Stenie w danym momencie cx Szybko spadku stenia dc/d Staa czasowa ukadu T [min] [s] [%] [%/min] [min] (przykadowo) 2' 0,18 2'15" 0,15 2' 30" 0,13

(0,13-0,18) : 0,5 = -0,1 0,15 : 0,1 = 1,5

Z trzech wyliczonych wartoci staej czasowej T obliczy redni arytmetyczn Tr .

W idealnym ukadzie inercyjnym I rzdu, po upywie czasu T od wymuszenia skokowego obserwuje si zmian wielkoci wyjciowej o 63,2 % caego skoku ([1], rozdz. 16.2). Sprawdzi i zaznaczy na wykresie odpowiedzi na wymuszenie skokowe c = f ( ) , po jakim czasie pierwotne stenie CuSO4 spado rzeczywicie o 63,2 % - trzecia metoda wyznaczenia staej czasowej czonu inercyjnego.

2-102.7.3. ODPOWIED NA WYMUSZENIE SKOKOWE OBIEKTU INERCYJNEGO II RZDU

Sporzdzi na papierze milimetrowym o formacie A-4 wykres zalenoci c = f ( ) obiektu inercyjnego II rzdu. Wyznaczy zastpczy czas opnienia oz i zastpcz sta czasow Tz metod graficzn (patrz [1], rozdz. 16.3.2, rys. 16.20).

2.8. SPRAWOZDANIE

Sprawozdanie z wykonania zadania powinno zawiera: prosty, nie przerysowany z instrukcji schemat ukadu konduktometru z krtkim opisem, tabele z wynikami pomiarw, wykres charakterystyki statycznej up = f(c) konduktometru, wykresy odpowiedzi na wymuszenie skokowe c = f ( ) (lub u p = f ( ) jeli nie korzystano ze wspomagania komputerowego) dla obu badanych czonw I i II rzdu, wyznaczenie staej czasowej obiektu inercyjnego I rzdu trzema metodami, wyznaczenie Tz i oz obiektu inercyjnego II rzdu sposobem graficznym, rysunek z plotera (jeli korzystano ze wspomagania komputerowego) porwnanie wyznaczonych wartociT,

oz

i

Tz

rnymi

metodami,

w tym take podanych przez komputer (tabelka zbiorcza), wnioski dotyczce wszystkich wykonanych dowiadcze, wynikw oblicze i wykresw.

2-112.9. LITERATURA

Podstawowymi

rdami

umoliwiajcymi

poszerzenie

materiau

zawartego

w instrukcji s notatki z wykadw Pomiary i automatyka z II roku studiw na Wydziale Chemii Spoywczej i Biotechnologii oraz ksiki:[1] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002.

[2] [3]

Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa:

dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

3. PNEUMATYCZNY PRZETWORNIK SIY - WACIWOCI STATYCZNE I DYNAMICZNE

Cel zadania: Poznanie budowy i dziaania modelu pneumatycznego przetwornika siy jako przetwornika pomiarowego i elementu skadowego pneumatycznego regulatora PID.

3.1.

KONSTRUKCJA I DZIAANIE PRZYRZDU Model pneumatycznego przetwornika siy przedstawiono schematycznie na rysunku

3.1. Podstawowym elementem przetwornika jest belka rwnowani si B, umocowana wahliwie na paskiej sprynie Z. Pod belk s umieszczone cztery membranowe przetworniki cinienia M, wywierajce na ni siy F proporcjonalne do cinienia doprowadzonego powietrza. Odpowiednie cinienia powietrza P mierz U-rurkowe manometry cieczowe.

Rys. 3.1. Model pneumatycznego przetwornika siy

Z prawej strony belki znajduje si kaskada pneumatyczna, skadajca si z dawika D1 , dyszy D, przesony PS oraz membrany ujemnego sprzenia zwrotnego My . Tumik olejowy T tumi ewentualne drgania belki. Kaskada jest zasilana powietrzem o cinieniu P0 3 kPa , doprowadzonym przez zawr zabezpieczajcy (ciskacz) Z2 i filtr W z reduktora (stabilizatora)

3-2 cinienia R. Do reduktora dopywa przez zawr odcinajcy Z1 powietrze o cinieniu Pz = 250 ... 300 kPa ze stacji zasilania. Otwarcie zaworu Z1 jest sygnalizowane przez optyczny sygnalizator cinienia S. Dziaajc na koniec belki rwnowani si Q , np. przez zawieszenie ciarka o masie m, dociskamy przeson do dyszy. Wzrost oporw wypywu powietrza z dyszy wywouje podwyszanie si cinienia Py i jednoczenie zwikszanie siy ujemnego sprzenia zwrotnego Fy wskutek oddziaywania tego cinienia na belk membrany My . Po zrwnaniu si przeciwnie skierowanych momentw si Fy i Q , warto cinienia Py ustala si. W ten sposb dziki istnieniu ujemnego sprzenia zwrotnego, cinienie wyjciowe kaskady Py jest zawsze proporcjonalne do siy Q (patrz te [1], rozdz. 10.7.2.A). Sia Q moe by rwnie wywierana przez dziaanie cinienia Px na membran Mx . Otrzymamy wwczas nie pneumatyczny przetwornik siy, lecz przetwornik cinienia, w ktrym cinienie wyjciowe Py bdzie proporcjonalne do cinienia wejciowego Px . Z membran Mx jest poczony zbiornik cieczy G. Przesuwajc zbiornik w gr lub w d mona zmienia poziom cieczy Hx i tym samym cinienie hydrostatyczne supa cieczy Px . Zmiany cinienia Px s przetwarzane w przetworniku na zmiany cinienia Py . Otwarcie zaworu Z3 powoduje przy zamknitym zaworze Z4 doprowadzenie powietrza o cinieniu Py pod membran Msz- i powstanie dodatkowego proporcjonalnego, ujemnego sprzenia zwrotnego. Otwarcie zaworu Z5 , przy zamknitych pozostaych zaworach w obwodzie sprzenia zwrotnego, wytwarza inercyjne ujemne sprzenie zwrotne, na skutek dziaania dawika D2 , pojemnoci V1 i membrany Msz- . Podobnie, otwarcie zaworu Z6 wytwarza inercyjne dodatnie sprzenie zwrotne, na skutek dziaania dawika D3 pojemnoci V2 i membrany Msz+ . Wymieniony system sprze zwrotnych pozwala na ksztatowanie statycznych i dynamicznych waciwoci ukadu, co jest niezbdne przy zastosowaniu przetwornika siy lub cinienia jako przetwornika pomiarowego lub jako elementu skadowego pneumatycznego regulatora PID.

3.2. URUCHOMIENIE UKADU POMIAROWEGO Zamkn zawory Z1 Z3 Z5 Z6 oraz ciskacz Z2 , otworzy Z4 i Z7 . Uzyskamy w ten sposb wyczenie dziaania membran sprze zwrotnych Msz- i Msz+ . Przesuwajc (po zluzowaniu ruby ) zbiornik G, doprowadzi do zrwnania si poziomw cieczy w obu gaziach manometru Px (Px = 0). W ten sposb wyczylimy dziaanie membrany Mx . Nastawi zerowe

3-3 wskazania wszystkich manometrw, przesuwajc ich podziaki milimetrowe po zluzowaniu nakrtek. Odczytywa dolny menisk cieczy! Sprawdzi, czy jest uruchomiona sprarka stacji zasilania (spyta laboranta) i czy cinienie powietrza w stacji osigno warto 300 kPa (sprarka wycza si wtedy automatycznie). Otworzy cakowicie zawr odcinajcy Z1 - zwrci uwag na dziaanie optycznego sygnalizatora cinienia S. Nastpnie powoli, eby nie spowodowa wydmuchnicia cieczy z manometrw, otworzy ciskacz Z2 . Pokrtem reduktora cinienia R nastawi warto cinienia zasilania P0 = 150 1 mm (jednostki wzgldne, wyniku nie mnoy przez dwa!).

3.3. BADANIE PRZETWORNIKA SIY 3.3.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA Naley okreli zaleno cinienia wyjciowego przetwornika Py od wielkoci siy Q dziaajcej na koniec belki rwnowani w stanie ustalonym. Sia Q moe by zmieniana skokowo przez zmian masy m ciarkw zawieszanych na haczyku belki. Przy braku ciarkw na kocu belki, naley skorygowa zerow warto cinienia Py , odpowiednio przesuwajc podziak milimetrow. Nastpnie zawiesza na haczyku kolejno coraz wicej ciarkw 20-gramowych, zmieniajc obcienie koca belki od 0 do 200 g i notujc w tabelce odpowiednie wartoci cinienia Py (jednostki wzgldne - mm). Wartoci masy m ciarkw przeliczy (umieszczajc wyniki oblicze w tabelce) na si Q wedug wzoru 3.1, przyjmujc warto g = 10 m/s.

Q = m g

[kg ] m = [N ] 2s

(3.1)

3.3.2. DODATKOWE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE Pomiary z punktu 3.3.1 naley powtrzy po wczeniu dodatkowego

proporcjonalnego, ujemnego sprzenia zwrotnego. W tym celu pod membran Msz- naley doprowadzi powietrze o cinieniu wyjciowym Py przez zamknicie zaworu Z4 i otwarcie zaworu Z3 . Wyniki pomiarw umieci w tabelce.

3-4 3.3.3. WPYW CINIENIA POWIETRZA ZASILAJCEGO W celu zbadania wpywu zmian cinienia powietrza zasilajcego kaskad pneumatyczn (P0) na dziaanie pneumatycznego przetwornika siy, naley wyczy dodatkowe ujemne sprzenie zwrotne (zamkn zawr Z3 i otworzy Z4) oraz obciy belk rwnowani jak si, np. Q =1 N (powiesi na kocu belki 5 ciarkw). Odczyta warto cinienia wyjciowego Py przy cinieniu powietrza zasilajcego P0 = 150 mm. Nastpnie pokrtem reduktora cinienia podwyszy cinienie P0 o 20 mm i ponownie odczyta warto Py. To samo zrobi zmniejszajc cinienie P0 do 130 mm. Wniosek?

3.4.

BADANIE PRZETWORNIKA CINIENIA

3.4.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA Ponownie nastawi warto P0 = 150 mm. Zdj wszystkie ciarki z haczyka, si cienia ciarkw Q zastpi parciem membrany Mx na przeciwlegy koniec belki. Pod membran Mx wytwarza cinienie Px podnoszc zbiornik z ciecz G (podwyszajc poziom cieczy Hx). Blokujc pooenie zbiornika rub, nastawi po kolei Px =10, 20, ... 100 1 mm. Notowa w tabelce wartoci Px i Py .

3.4.2. DODATKOWE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE

Okreli waciwoci statyczne przetwornika Py = f ( Px ) jak w punkcie 3.4.1 leczz dodatkowym proporcjonalnym, ujemnym sprzeniem zwrotnym, polegajcym na skierowaniu powietrza o cinieniu Py pod membran Msz- . Sprzenie wczamy zamykajc zawr Z4 i otwierajc zawr Z3 .

3.4.3. PRZESUNICIE CHARAKTERYSTYKI STATYCZNEJ

Wyznaczy Py = f ( Px ) jak w punkcie 3.4.2 lecz z dodatkowym ciarkiem 20 g na kocu belki (Q0 = 0,2 N) i wyczonym dodatkowym ujemnym sprzeniem zwrotnym (otwarty zawr Z4 i zamknity Z3).

3-53.5. KSZTATOWANIE WACIWOCI DYNAMICZNYCH PRZETWORNIKA

Badany w rozdziaach 3.3 i 3.4 model pneumatycznego przetwornika siy i cinienia ma cechy przetwornika proporcjonalnego. Rwnanie jego charakterystyki statycznej jest rwnaniem prostej: Py = K Px + Py 0 (3.2)

Warto wzmocnienia K przetwornika (nachylenia charakterystyki statycznej) moe by zmieniana przez zmian gbokoci (intensywnoci) ujemnego sprzenia zwrotnego. Charakterystyka statyczna moe by te przesuwana rwnolegle przez dziaanie na belk rwnowani dodatkow, sta si Q0 . Charakterystyka dynamiczna (odpowied na wymuszenie skokowe) przetwornika jest charakterystyk czonu proporcjonalnego (patrz [1], rozdz. 16.2.1): dPy d =K dPx d (3.3)

Wprowadzenie dodatkowego ujemnego sprzenia zwrotnego nie zmienia przebiegu charakterystyki dynamicznej, poniewa jest to sprzenie proporcjonalne (bezinercyjne).

3.5.1. INERCYJNE UJEMNE SPRZENIE ZWROTNE

Tego typu sprzenie uzyskamy, doprowadzajc powietrze o cinieniu Py pod membran dodatkowego ujemnego sprzenia zwrotnego Msz- nie bezporednio przez zawr Z3 lecz przez zawr Z5 , dawik D2 i pojemno V1 . W tym celu naley sprowadzi do zera warto cinienia Py (Px = 0, Q = 0), otworzy zawr Z5 , zamkn Z4 (Z3 i Z6 rwnie zamknite). Dla uproszczenia czynnoci, do badania przetwornika posuymy si nie cinieniem Px lecz ponownie ciarkami dziaajcymi na koniec belki rwnowani si Q. Zawiesi na haczyku belki ciarki dziaajce si Q = 2N (200 g) - ciarki nie powinny si waha. Cinienie Py osignie natychmiast warto wynikajc z charakterystyki statycznej przetwornika siy bez dodatkowego ujemnego sprzenia zwrotnego, a nastpnie zacznie oddziaywa inercyjne dodatkowe ujemne sprzenie zwrotne (pojemno V1 napenia si powoli powietrzem, Psz- wzrasta stopniowo a do wartoci zblionej do Py ), zmniejszajc stopniowo wzmocnienie przetwornika do wartoci wzmocnienia z proporcjonalnym (bezinercyjnym) dodatkowym ujemnym sprzeniem zwrotnym. Gdybymy si Q zwikszyli nie skokowo lecz powoli, napenianie si pojemnoci V1

3-6 powietrzem nadaoby za wzrostem cinienia Py , cinienie Psz- byoby stale zblione do cinienia Py i przetwornik miaby od razu wzmocnienie mniejsze, odpowiadajce wzmocnieniu z wczonym proporcjonalnym dodatkowym ujemnym sprzeniem zwrotnym. Otrzymalimy wic przetwornik proporcjonalno-rniczkujcy (PD) o przebiegu charakterystyk dynamicznych, zblionych do wykresw rwna: dQ Py = C Q + TD d dla przetwornika siy lub: dP Py = K P + TD x d

(3.4)

(3.5)

dla przetwornika cinienia (por rwnanie 6.9). Cinienie wyjciowe Py przetwornika jest proporcjonalne do wielkoci sygnau wejciowego (Q lub Px ) oraz do szybkoci zmian tego sygnau w czasie. Staa TD okrela intensywno rniczkujcego dziaania przetwornika (por. [1], rozdz. 16.2.5). W celu zbadania przebiegu charakterystyki dynamicznej (odpowiedzi na wymuszenie skokowe) ukadu, naley zdj ciarki z haczyka belki i otwierajc na chwil zawr Z4 zmniejszy do zera warto cinienia Psz- . Przygotowa sekundomierz i tabelk z rubrykami i Py . W czasie = 0 zanotowa warto cinienia Py i ostronie zawiesi ciarki dziaajce si Q = 2N (200 g) na haczyku belki. Kontynuowa odczytywanie wartoci cinienia Py co 5 sekund, a do jego ustalenia si co najmniej na 30 sekund.

3.5.2. INERCYJNE DODATNIE SPRZENIE ZWROTNE

Ten rodzaj sprzenia uzyskamy, doprowadzajc powietrze o cinieniu Py pod membran dodatniego sprzenia zwrotnego Msz+ poprzez zawr Z6 , dawik D3 i pojemno V2. W tym celu, przy zerowej wartoci cinienia Py (Px = 0, Q = 0), otworzy zawory Z4 i Z6 , a zamkn Z5 i Z7 (Z3 rwnie zamknity). Zawiesi na haczyku belki ciarki dziaajce si Q = 2N (200 g) - ciarki nie powinny si waha. Cinienie Py osignie natychmiast warto wynikajc z charakterystyki statycznej przetwornika siy bez dodatkowego ujemnego sprzenia zwrotnego (dziaanie proporcjonalne przetwornika), a nastpnie zacznie oddziaywa inercyjne dodatnie sprzenie zwrotne, podwyszajce stopniowo warto cinienia Psz+ i parcie membrany Msz+ na belk

3-7 przetwornika. Poniewa moment siy wywieranej przez membran Msz+ dodaje si do momentu siy Q (sprzenie zwrotne dodatnie), zacznie rwnie wzrasta cinienie wyjciowe Py . Wzrost ten bdzie trwa tak dugo, jak dugo bdzie oddziaywaa na belk sia Q (lub do osignicia stanu nasycenia przy Py P0 ). Otrzymalimy rwna: 1 Py = C Q + TI dla przetwornika siy lub: 1 Py = K Px + TI Q d 0

wic

przetwornik

proporcjonalno-cakujcy

(PI),

o

przebiegu

charakterystyk dynamicznych (odpowiedzi na wymuszenia skokowe) zblionych do wykresw

(3.6)

P0

x

d

(3.7)

dla przetwornika cinienia (por. rwnanie 6.13). Cinienie wyjciowe Py przetwornika jest proporcjonalne do wielkoci sygnau wejciowego przetwornika (Q lub Px ) oraz do czasu trwania tego sygnau: caki z Q d lub z Px d . Staa TI okrela intensywno cakujcego dziaania przetwornika (por. [1], rozdz. 16.2.6). W celu zbadania przebiegu charakterystyki dynamicznej (odpowiedzi na wymuszenie skokowe) ukadu, naley zdj ciarki z haczyka belki i otwierajc na chwil zawr Z7 obniy do zera warto cinienia Psz+.

Przygotowa sekundomierz i tabelk z rubrykami i Py .

W czasie = 0 zanotowa warto Py i ostronie zawiesi na haczyku belki ciarki dziaajce si Q = 2N (200 g) - ciarki nie powinny si waha. Notowa wartoci Py co 5 sekund, a do osignicia Py =100 mm. W tym momencie zakoczy dowiadczenie i zdj ciarki z haczyka.

3.6. ZAKOCZENIE ZADANIA

Ciarki umieci w pojemniku. Oprni pojemnoci V z powietrza przez zamknicie zaworw Z3 , Z5 i Z6 , a otwarcie Z4 i Z7 . Zamkn dopyw powietrza zasilajcego ciskaczem Z2 , a nastpnie zaworem Z1 . Sprawdzi i ewentualnie nastawi zerow warto cinienia Px .

3-83.7. OPRACOWANIE WYNIKW DOWIADCZE 3.7.1. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA PRZETWORNIKA SIY

Korzystajc z wynikw dowiadcze z punktu 3.3.1, sporzdzi wykres zalenoci Py = f (Q) . Z nachylenia wykresu charakterystyki obliczy wzmocnienie przetwornika: Py Q [mm N-1]

C1 =

(3.8)

W tym samym ukadzie wsprzdnych (na tym samym rysunku) wykreli charakterystyk statyczn Py = f (Q) przetwornika z dodatkowym ujemnym sprzeniem zwrotnym (punkt 3.3.2). Z nachylenia charakterystyki obliczy wzmocnienie tego przetwornika C2 (rwnanie 3.8). Obliczy rwnie wspczynnik dodatkowego sprzenia zwrotnego :

=

C2 C1

(3.9)

3.7.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA PRZETWORNIKA CINIENIA

Korzystajc z wynikw dowiadcze z punktu 3.4.1, sporzdzi wykres zalenoci Py = f ( Px ) . Z nachylenia charakterystyki obliczy wzmocnienie przetwornika: Py Px

K1 =

(3.10)

W tym samym ukadzie wsprzdnych (na tym samym rysunku) wykreli charakterystyk statyczn Py = f ( Px ) przetwornika z dodatkowym ujemnym sprzeniem zwrotnym (punkt 3.4.2). Z nachylenia charakterystyki obliczy wedug rwnania 3.10 wzmocnienie tego przetwornika K2 . Rwnie w tym samym ukadzie wsprzdnych (na tym samym rysunku) wykreli charakterystyk statyczn przetwornika Py = f ( Px ) z dodatkow si Q0 dziaajc na koniec belki rwnowani (rozdzia 3.4.3). Obliczy wzmocnienie tego przetwornika K3 (rwnanie 3.10) oraz przesunicie charakterystyki Py0 :

(P

y0

= Py )P =0x

(3.11)

3-9 Obliczy rwnie wspczynnik dodatkowego sprzenia zwrotnego:

=

K2 K1

(3.12)

Znajc wartoci liczbowe K1 i Py0 napisa rwnanie pneumatycznego przetwornika cinienia bez dodatkowego ujemnego sprzenia zwrotnego i z przesunit charakterystyk statyczn (rwnanie 3.2).

3.7.3. WACIWOCI DYNAMICZNE PRZETWORNIKA

Korzystajc z wynikw dowiadcze z rozdziau 3.5.1, sporzdzi wykres zalenoci Py = f ( ) . Wykres powinien rozpoczyna si w punkcie = 0 . Jest to wykres odpowiedzi na wymuszenie skokowe (charakterystyki dynamicznej skokowej) przetwornika z inercyjnym ujemnym sprzeniem zwrotnym (o waciwociach proporcjonalno-rniczkujcych PD). Na ten sam rysunek nanie wykres zalenoci Py = f ( ) - charakterystyk dynamiczn skokow przetwornika z inercyjnym dodatnim sprzeniem zwrotnym (o waciwociach proporcjonalno-cakujcych PI) - rozdzia 3.5.2. Wykres powinien rozpoczyna si w punkcie

= 0.

3.8. SPRAWOZDANIE

Sprawozdanie z wykonania zadania powinno zawiera: prosty, nie przerysowany z instrukcji schemat pneumatycznego proporcjonalnego przetwornika siy z krtkim opisem, tabele z wynikami pomiarw, wykresy charakterystyk statycznych i dynamicznych przetwornika, obliczenia wartoci wzmocnie C i K oraz wspczynnikw i , rwnanie pneumatycznego przetwornika cinienia, wnioski dotyczce wszystkich wykonanych dowiadcze i wynikw oblicze.

3-103.9. LITERATURA

Podstawowymi

rdami

umoliwiajcymi

poszerzenie

materiau

zawartego

w instrukcji s notatki z wykadw "Pomiary i automatyka" z II roku studiw na Wydziale Chemii Spoywczej i Biotechnologii oraz ksiki:[1] Ludwicki M.: Sterowanie procesami w przemyle spoywczym, PTT, d 2002.

[2] [3]

Romer E.: Miernictwo przemysowe, PWN, W-wa 1978. elazny M.: Podstawy automatyki, PWN, W-wa 1976.

Opracowa:

dr in. Marek Ludwicki,

Politechnika dzka,

I-30

http://snack.p.lodz.pl

[email protected]

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cze tej pracy nie moe by powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposb, bd elektroniczny, bd mechaniczny, wcznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na tamy lub przy uyciu innych nonikw informacji, bez zgody autora. Copyright 2004 All rights reserved

4. WZMACNIACZ I REGULATOR ELEKTRONICZNY

Cel zadania: Poznanie podstawowych waciwoci i zastosowa niektrych elektronicznych elementw automatyki: tranzystora, stabilistora, fotorezystora, przekanika, czwrnika RC. Badanie statycznych i dynamicznych waciwoci elektronicznego regulatora impulsowego.

4.1. UKAD POMIAROWY Schemat ukadu pomiarowego przedstawia rysunek 4.1. W gniedzie pomiarowym G moe by umieszczony tranzystor T, stabilistor S lub rezystor R. Podczas dowiadcze z tranzystorem, jego obwd kolektor - emiter jest zasilany z sieci elektrycznej przez transformator TR, mostkowy prostownik penookresowy M i filtr wygadzajcy RC. Warto napicia UCE moe by nastawiana dzielnikiem (wieloobrotowym potencjometrem) P2 i mierzona woltomierzem. Woltomierz UCE posiada trzy zakresy pomiarowe: x0,1; x1 i x3 V. Warto natenia prdu w obwodzie kolektora ICE jest mierzona miliamperomierzem.

Rys. 4.1. Schemat ukadu pomiarowego wzmacniacza i regulatora elektronicznego

4-2 Obwd baza - emiter tranzystora jest zasilany z ogniwa O przez nastawiany dzielnik (potencjometr) P1 i miernik natenia prdu IBE . W opisanym ukadzie pomiarowym mona okrela wzajemne relacje midzy napiciem UCE , prdem ICE oraz prdem IBE , czyli bada charakterystyk statyczn (waciwoci wzmacniajce) tranzystora. W obwd kolektora tranzystora moe by wczone (po rozwarciu gniazd Z - Z) uzwojenie przekanika elektromagnetycznego PK, sterujcego wieceniem lampki L2 . W obwd bazy moe by wczany (po rozwarciu gniazd X - X) transformatorowy czujnik przesunicia liniowego CP lub inny czujnik. Podczas dowiadcze ze stabilistorem, miernik UCE mierzy napicie wsteczne UR , a miernik ICE prd wsteczny IR stabilistora. W takim ukadzie pomiarowym mona bada waciwo stabilizowania napicia przez stabilistor. W czasie dowiadcze z rezystorem, obydwa mierniki mierz napicie i natenie prdu pyncego przez rezystor i umoliwiaj sprawdzenie liniowoci ukadu pomiarowego. W ukadzie pomiarowym znajduje si rwnie inercyjny czwrnik RC, poczony z woltomierzem cyfrowym MC. czc gniazda +P i -P wejcia czwrnika ze rdem napicia staego +Uz i -Uz adujemy kondensator C do okrelonego napicia i nastpnie po przerwaniu obwodu zasilajcego (skokowym wymuszeniu spadku napicia adujcego kondensator) moemy bada charakterystyk dynamiczn rozadowywania si kondensatora przez rezystancj R. Osobnym elementem ukadu pomiarowego jest elektroniczny, impulsowy regulator temperatury RE z platynowym czujnikiem rezystancyjnym TP umieszczonym wraz z cieczowym termometrem wzorcowym TC w termosie TM, wypenionym ciecz (olejem) o staej temperaturze. Zmieniajc zadan warto regulatora w (zadany poziom temperatury), mona zmienia odchylenie regulacji e i bada statyczne i dynamiczne waciwoci regulatora (patrz [1], rozdz. 17.1.1 i 18.1.3). Wszystkie zewntrzne obwody elektryczne ukadu s zasilane obnionym napiciem (maksimum 25 V), bezpiecznym w przypadku dotknicia instalacji rk.

4.2. CHARAKTERYSTYKA STATYCZNA TRANZYSTORA Umieci w gniedzie pomiarowym tranzystor T (na specjalnym wtyku, trzy elektrody: kolektor C, baza B, emiter E, emiter oznaczony wystpem). Jest to tranzystor krzemowy redniej mocy, n-p-n, typu BC-211, z aluminiowym radiatorem odprowadzajcym nadmiar ciepa.

4-3

Zamkn obwd baza - emiter przez zwarcie gniazd X - X oraz wyczy z obwodu kolektor - emiter uzwojenie przekanika PK przez zwarcie gniazd Z - Z. Pokrta obu potencjometrw P1 i P2 przekrci ostronie w lewo do oporu, wyczy wycznik W2 i wczy wycznikiem W1 zasilanie ukadu pomiarowego. Powinna zawieci si lampka sygnalizacyjna. Przygotowa nastpujc tabel: Tabela 4.1. Wyniki pomiarw Kolektor 1 Baza 20 Prd bazy IBE [A] 40 60 80 100 120 140 Napicie kolektora UCE [V] 6 12 18

Prd kolektora ICE [mA]

Pokrtem potencjometru P1 nastawi warto prdu bazy IBE = 20 A. Zmieniajc pokrtem potencjometru P2 napicie UCE zgodnie z drugim wierszem tabeli 4.1 (przecza zakresy woltomierza!), odczytywa odpowiednie wartoci prdu kolektora ICE , wypeniajc tabel. To samo wykona po nastawieniu kolejno IBE = 40, 60 ... 140 A. Ze wzgldu na wzajemny wpyw UCE i IBE , przed kadym odczytem wartoci ICE sprawdzi i ewentualnie skorygowa wartoci UCE i IBE . Gdyby warto ICE przekroczya 15 mA (zakres pomiarowy miliamperomierza), rubryki tabelki nie wypenia!

4.3. TRANZYSTOROWY WZMACNIACZ PRZEKANIKOWY Nastawi IBE = 0 A. Wyjmujc przewd z wtyczkami z gniazd Z - Z wczy w obwd kolektora tranzystora uzwojenie przekanika elektromagnetycznego. Woltomierz UCE wczy na zakres x3 i nastawi napicie UCE na maksimum (ok. 24 V). Zmienia kilkakrotnie, powoli, w obu kierunkach wartoci prdu bazy IBE tranzystora i zanotowa dwie charakterystyczne

4-4 wartoci prdu ICE pyncego przez uzwojenie przekanika: "prd zadziaania" Izd najmniejszy prd, przy ktrym przekanik zwiera styki (zawiecenie si lampki L2 przy zwikszaniu prdu ICE), "prd zwalniania" Izw najwikszy prd, przy ktrym przekanik zwalnia styki (zganiecie lampki L2 przy zmniejszaniu prdu ICE) . Rnica Izd - Izw = Ih jest prdem histerezy dziaania przekanika.

4.3.1. FOTOELEKTRYCZNY PRZETWORNIK PRZESUNICIA Nastawi IBE = 0 A. Do gniazd X - X podczy fotorezystor (rezystor, ktrego rezystancja jest funkcj natenia owietlenia). Pozostawi maksymaln warto napicia UCE . Wycelowa fotorezystor na okno lub na lamp owietleniow i tak dobra warto prdu IBE eby przekanik reagowa na zasanianie fotorezystora. adnych wielkoci nie trzeba notowa! Otrzymalimy prosty ukad dwupooeniowego fotoelektrycznego przetwornika przesunicia liniowego.

4.3.2. KONDUKT