Электродные датчики уровня

 

Электродные датчики уровня удобны, если среда, уровень которой измеряется, обладает проводимостью. Для организации такого датчика используется один электрод под названием базовый, который располагается на самом низком измеряемом уровне, и электроды уровня, которые располагаются на уровнях выше базового электрода.

 

 

 

Рисунок 46 – Базовый электрод Э₀ и электрод уровня Э₁ в электродном датчике уровня

 

При погружении любого электрода уровня в проводящую ток жидкость появляется соответствующая оперативная цепь питания реле уровня KL, которае фиксирует данный уровень и передает сигнал в исполнительную цепь.

 

 

Логические элементы

 

Логический элемент – элемент дискретного действия, выполняющий преобразование управляющего сигнала в соответствии с законами алгебры логики. В конструктивном отношении различают два типа логических элементов: контактные реле и бесконтактные элементы.

Контактное реле как логический элемент обладает рядом достоинств и недостатков. К достоинствам можно отнести отсутствие гальванической связи между входом и выходом, возможность коммутировать одновременно несколько цепей с довольно значительными токами. Недостатки – наличие электромагнитной и механической инерционности и меньшая по отношению к бесконтактным устройствам надежность. Область применения – входные и выходные разделительные и коммутирующие устройства, ограниченное количество переключений в единицу времени.

Бесконтактные элементы надежны и имеют высокое быстродействие, но схемы устройств усложняются за счет гальванических развязок. Они незаменимы в современных системах автоматики с большим объемом логических операций на коротком интервале времени. Логические элементы могут быть выполнены на бесконтактных магнитных реле на базе магнитных усилителей с самонасыщением и частотой питания 400 Гц (серия МР), магнитных элементов с частотой питания 50 Гц (серия М) или с частотой питания 400 Гц (серия МК), транзисторных элементов серии Т, в виде интегральных микросхем и микромодулей. Время переключения бесконтактных логических элементов составляет менее 1 мкс.

Логические устройства можно разделить на два класса: однотактные или устройства без памяти и многотактные или последовательные. Выходные сигналы однотактных устройств в данный момент времени определяются входными сигналами в тот же момент времени. Выходные сигналы многотактных устройств зависят не только от входных сигналов, но и от внутренних состояний элементов систем. Последние определяются состояниями элементов памяти, входящими в многотактные устройства.

Работа однотактных устройств может быть полностью описана математическим аппаратом алгебры логики. Алгебра логики рассматривает класс событий и оперирует с двоичными переменными. Появление события обозначается единицей, отсутствие нулем. В релейно-контакторной технике единица соответствует понятию замкнутого, а ноль – разомкнутого контактов.

Взаимосвязь логических переменных определяет логическую функцию y = f (x), в которой и функция и аргумент принимает только два значения (1 и 0). Поэтому число возможных логических функций всегда конечно и равно N:

 

N = 2 ^m, (55)

 

где m = 2 ⁿ – число наборов независимых переменных,

n – число независимых переменных.

Так при п = 2, т.е. y = f (x₁ , x₂ ) и m = 4 cуществует всего 16 логических функций (N = 16), из которых следует выделить 6 типовых функций:

 

y_I = x₁ + x₂ = x₁ n x₂, (56)

где у_I - дизъюнкция или логическое сложение или функция «ИЛИ»”;

+, Ú - знаки логического сложения;

 

 

y_II = x₁ · x₂ = x₁^ x₂, (57)

 

 

где y_II – конъюнкция или логическое умножение,или функция «И»;

“ ^. ” ^ - знаки логического умножения;

 

 

y _III = x₁ + x₂ ,(58)

 

 

где y _III – функция «ИЛИ – НЕ» или операция Пирса, черта над переменными x₁, x₂ определяет операцию отрицания «НЕ» или инверсию события;

 

 

y_IV = x₁ · x₂, (59)

 

 

где y_IV - функция «И – НЕ» или операция Шеффера;

 

 

y_V= x₁ · x₂ + x₁ · x₂ , (60)

где у_V - функция «равнозначности» или «эквивалентности»

 

y_VI = x₁ · x₂ + x₁ · x₂ , (61)

 

где y_VI – функция «неравнозначность» или «альтернатива».

 

Наиболее употребимой формой представления логической функции является таблица истинности. Например, для функции «ИЛИ» таблица истинности имеет вид таблицы 1.

 

Таблица 1 – Таблица истинности

Номер набора	Набор переменных	Функция «ИЛИ»
m	x1	х2	yI

 

Рассмотрим основные тождества, законы и теоремы алгебры логики.

1. Сумма величины и ее инверсии всегда равна единице

 

x + x = 1. (62)

 

2. Произведение величины на ее инверсию всегда равно нулю

 

x · x = 0. (63)

 

3. Сумма величины и единицы всегда равна единице

 

x + 1 = 1. (64)

 

4. Произведение величины на единицу всегда равно этой величине

 

x · 1 = x. (65)

 

5. Двойная операция инверсии величины дает эту величину

x = x. (66)

 

Для алгебры логики справедливы преобразования:

 

 

x₁ (x₂ + x₃ ) = x₁ · x₂ + x₁ · x₃ ,

x₁ + x₂ = x₂ + x₁,

(x₁ + x₂ ) + x₃ = x₁ + (x₂ + x₃), (67)

(x₁ · x₂) · x₃ = x₁ · (x₂ · x₃ ),

x₁ · (x₁ + x₂ ) = x₁ ,

(x₁ + x₂) · (x₁ + x₂ ) = x₁

 

 

При преобразовании логических выражений часто используют теоремы Моргана:

1. Если инвертируется сумма двух или нескольких переменных, то знак инверсии переносится на каждую переменную, а сложение заменяется произведением

 

 

x₁ + x₂ + …. + x_n = x₁ · x₂ ·.… · x_n . (68)

 

 

2. Если инвертируется произведение двух или нескольких переменных, то знак инверсии переносится на каждую переменную, а произведение заменяется суммой

x₁ · x₂ · …. · x_n = x₁ + x₂ +... + x_n. (69)

 

Тождества, законы и теоремы алгебры логики проверяются путем подстановки вместо соответствующих переменных их значений, т. е. «0» или «1».

Таким образом, основными операциями с логическими переменными являются дизъюнкция, конъюнкция и инверсия. Условное изображение некоторых типовых логических элементов приведено в таблице 2.

Таблица 2 – Изображение логических элементов

Логическая функция	Графическое изображение элемента	Тип элемента в системе “логика-Т”
1. «НЕ»	x	Т – 101
&   2. «И»	x1 x2	T – 107
3. «ИЛИ»	x1 x2	Т – 106
& 4. «И – НЕ»	x1 y =   x2	_
5. «ИЛИ – НЕ»	x1 y = x2	Т – 101
S T   R 6. RS - триггер (память)	x1 y   x2	Т – 102 Т – 103
7. Задержка	x1 у x2	Т – 302 Т – 303 (1,0…10с) Т – 304 (9,0…100с)
8.Усилитель выходной	x y	Т – 402 (3 Вт) Т – 403 (10 Вт) Т – 404 (30 Вт) Т – 405 (100 Вт)

 

 

Продолжение таблицы 2

Логическая функция	Графическое изображение элемента	Тип элемента в системе «логика-Т»
9. Согласующий элемент	220V	Т – 201
10. Усилитель согласования	X y 220 V	Т – 401 (40мА, 12V)
11. «Равнозначность»	x1 = y=x1 x2 x2	_
12. «Неравнозначность»	x1 y=x1 x2 x2	_

 

 

Магнитные усилители

Принцип действия МУ основан на использовании явления насыщения ферромагнитных материалов в магнитном поле.

 

а) б)

 

Рисунок 47 – Простейший дроссельный однотактный магнитный усилитель

а – зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н; б – схема усилителя

 

Входной цепью МУ (рисунок 47) является обмотка управления W_y, а выходной – рабочая обмотка W_p с последовательно включенным сопротивлением нагрузки R_н. Выходное напряжение U_вых снимается с нагрузки R_н.

Если ток в рабочей цепи I_~ синусоидален, то он находится по формуле:

, (70)

где U_~ – напряжение питания МУ;

R – полное активное сопротивление рабочей цепи;

х_р – индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

 

, (71)

 

где R_p – активное сопротивление рабочей обмотки;

L_p – индуктивность рабочей обмотки;

– угловая частота питающей сети;

W_p – число витков рабочей обмотки;

S_c – площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

– длина средней магнитной линии сердечника;

– магнитная проницаемость сердечника.

 

Для магнитных усилителей выбирается ферромагнетик с большой и малой коэрцитивной силой H_c, например, пермаллой. Такой магнитный материал имеет максимально возможную чувствительность к слабым изменениям магнитного поля. Вследствие нелинейности характеристики B = f (H) малое изменение H, связанное с постоянным током обмотки управления Wy, приводит к резкому увеличению B и уменьшению , что ведет к значительному уменьшению L_p и . Наблюдается резкое увеличение тока I_~ в рабочей цепи.

Однотактные магнитные усилители относятся к нереверсивным: полярность выходного сигнала не зависит от полярности входного сигнала. Нагрузка R_н может быть включена последовательно или параллельно в сеть рабочей обмотки W_p. В первом случае МУ называют дроссельными, во втором – трансформаторными. Наиболее эффективным является построение МУ на двух одинаковых сердечниках.

а) б)

в)

 

Рисунок 48 – Однотактные МУ с параллельным (а) и последовательным (б) включением нагрузки и их статические характеристики (в)

 

Основной характеристикой МУ является статическая характеристика:

 

I_н = f(I_y), (72)

 

где I_н– ток нагрузки,

I_y– ток управления.

 

Характеристика идеального МУ без обратной связи и смещения показан на рисунке 2. Для реального МУ ток холостого хода (I_н при I_y=0) отличен от нуля.

Коэффициенты усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_Р находятся экспериментально по статическим характеристикам и теоретически по соотношениям:

 

(73)

 

(74)

 

, (75)

 

 

где Δ определяет малые приращения входных и выходных величин.

 

На характеристики I_н = f(I_y) значительно влияют начальное смещение (подмагничивание) и обратные связи. Начальное смещение вводится для того, чтобы увеличить коэффициент усиления для малых входных сигналов и выводе рабочей точки на линейный участок статической характеристики (рисунок 49).

Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, внешними и внутренними. Внутренняя обратная связь организуется включением выпрямителя в рабочую обмотку W_p, поэтому число витков обмотки обратной связи W_oc=W_p и коэффициент обратной связи k_oc ≤ 1. Рабочая обмотка W_p дополнительно выполняет функции обмотки обратной связи W_oc. Схема однотактных МУ с внутренней обратной связью показана на рисунке 50, а статические характеристики – на рисунке 51.

 

а)

б)

Рисунок 49 – Дроссельный МУ: а – схема; б – статические характеристики

 

а) б)

Рисунок 50 – Однотактные МУ с внутренней обратной связью:

с выходом на переменном токе (а); с выходом на постоянном токе (б)

 

 

 

Рисунок 51 – Статические характеристики МУ с внутренней ОС

 

Схема МУ с внешней обратной связью может обеспечить любое значение k_oc за счет соответствующего выбора числа витков W_oc. Одна из схем показана на рисунке 52.

В этом случае коэффициенты усиления равны:

 

(76)

 

Рисунок 52 – МУ с внешней обратной связью

 

 

(77)

 

, (78)

 

где знак “ – ” соответствует положительной, а “+”– отрицательной обратной связи.

 

(79)

 

где .

Использование смешанной обратной связи, объединяющей внутреннюю и внешнюю обратные связи может привести релейным характеристикам (рисунок 53).

 

 

Рисунок 53 – Релейные характеристики МУ

 

 

Релейная характеристика в первом квадранте соответствует нормально разомкнутым, а во втором – нормально замкнутым контактам реле.

Инерционность МУ характеризуется постоянной времени τ.

 

, (80)

где – коэффициент полезного действия цепи переменного тока усилителя;

– частота питающей сети;

– индуктивность обмотки управления.

 

Для снижения инерционности используют введение положительной обратной связи при условии , замену однокаскадного МУ многокаскадным, шунтирование диодов внутренней обратной связи переменными сопротивлениями и другие методы.

Передаточная функция W(p) магнитного усилителя определяет его как апериодическое звено первого порядка:

 

, (81)

 

где p – оператор Лапласа.

 

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: