12.1 Stavebnicové systémy
Ovládanie je pôsobenie ovládacieho člena na člen ovládaný. Ovládací člen je tvorený vstupným členom, logickým obvodom a výstupným členom.
Logické prvky môžu byť elektrické alebo pneumatické. Elektrické môžu byť realizované elektromechanickými relé, diskrétnymi polovodičovými prvkami alebo integrovanými obvodmi. Pneumatické môžu byť prúdové alebo potenciálne (obsahujú jednu alebo niekoľko pohyblivých súčiastok: membrány, gulôčky, ventily a pod.
Logický obvod, realizovaný elektrickými logickými prvkami, môže spracovávať len elektrické signály, podobne pneumatický obvod (realizovaný pneumatickými prvkami), môže spracovávať len pneumatické signály. Týmto požiadavkám treba prispôsobiť aj vstupný člen. V niektorých prípadoch nie je možné použiť vstupný člen, ktorý by bol kompatibilný napr. s pneumatickým logickým obvodom. V takomto prípade medzi vstupný člen a logický obvod treba zaradiť člen, ktorý premení signál zo vstupného člena na signál, ktorý je schopný logický člen spracovať na výstupný signál. Tento člen nazývame menič alebo prevodník. Prevodník teda transformuje signál zo vstupného člena na signál vhodný na spracovanie v nasledujúcom člene (logickom obvode). Analogicky to platí aj pre výstup z logického obvodu. Obvykle signál z logického obvodu má nízku energetickú úroveň na to, aby mohol ovládať ovládaný člen. Medzi výstup z logického obvodu a ovládaný člen sa zapája zosilňovač. Zosilňovač zosilní slabý energetický signál na potrebnú energetickú úroveň. Ak ovládaný člen na pohon potrebuje inú energiu, akou je výstupná energia z logického obvodu, potom medzi výstup z logického obvodu a ovládaný člen treba zaradiť prevodník.
Pomocou vstupných členov sa do logického obvodu vkladajú vstupné informácie. Tieto členy majú rôzne konštrukcie, ale vždy obsahujú ovládaciu časť a prepínaciu časť. Pri ručnom ovládaní ovládaciu časť tvorí tlačidlo, páčka, točidlo, pri nožnom ovládaní je to pedál, pri koncových spínačoch sú to kladky, narážky, kolískové spínače a pod. Podľa energie, s ktorou vstupný člen pracuje, prepínacia časť je pneumatická alebo elektrická. Pri pneumatickej prepínacej časti je vstup 1 trvale prepojený s výstupom 2. Po zatlačení tyčky 4 spolu s kužeľom 5 do sedla ventilu 6 sa uzavrie výstup 2, stlačí sa gulôčka 7 a otvorí sa výstup 3. takto sa prúd vzduchu prepína na výstup 2 alebo 3.
Prevodník je zariadenie, ktoré mení signály z predchádzajúceho člena na signály, ktoré je možné spracovať v nasledujúcom člene. Prevodník teda mení fyzikálnu podstatu signálu, napr. elektrický signál na pneumatický signál. Podľa charakteru vstupnej a výstupnej veličiny môžeme prevodníky deliť podľa schémy:
V stavebnicových systémoch automatických ovládacích zariadení sú to medzisystémové prevodníky, ktoré menia pneumatický signál na signál elektrický a opačne, hydraulický na elektrický a pod. U prevodníkov pre ovládacie obvody zmena jedného signálu na iný prebehne do dosiahnutí určitej úrovne vstupného signálu skokom. Konštrukcie sú rôzne. Na obrázku je elektro – pneumatický prevodník. Tento prevodník slúži na transformáciu vstupného prúdu 0,2 mA na tlak vzduchu pv = 0,02 – 0,1 Mpa. Prúd sa privádza do cievky 1, ktorá je spojená s klapkou 4. Prietokom prúdu cievkou vzniká sila, ktorou je cievka z obvodu permanentného magnetu vytláčaná a klapka uzatvára výtokový otvor dýzy, v ktorej vzniká výstupný tlak pv. Záporná spätná väzba, ktorá je tvorená vlnovcom, linearizuje prevod medzi výstupným tlakom pv a výstupným prúdom I.
Zosilňovač je zariadenie, ktoré transformuje vstupný signál na signál výstupný tej istej fyzikálnej podstaty, rovnakého priebehu, ale na výstupe s väčšou využiteľnou energiou. Pochopiteľne, v zosilňovači nevzniká energia, ale signál sa zosilňuje na úkor pomocnej energie dodávanej zo zdroja. Podľa druhu zosilňovaného signálu sa zosilňovače delia na pneumatické, hydraulické a elektrické. Na obrázku je uvedená jedna z konštrukcií pneumatického výkonového zosilňovača. Tento zosilňovač sa používa na zosilnenie nízkotlakového signálu na tlak potrebný na prestavovanie ovládaného člena.
Do zosilňovača sa privádza napájací tlak pn, ktorý prúdi do komory D a súčasne cez clonu 5 do komory B. Nízkotlakový signál p1 ktorý treba zosilniť, sa privádza do komory A a pôsobí na membránu 1 s pracovnou plochou S1 silou F1= S1.p1. Pôsobením sily F1 sa membrána 1 deformuje a uzatvára odtok O1 do atmosféry. V komore B stúpa tlak, a tým aj sila F2 pôsobiaca zospodu na membránu 1, až do rovnovážneho stavu, ktorý nastane, keď je podmienka splnená F1 = F2. Tlak p2 súčasne pôsobí na membránu 2 silou F3, ktorá deformuje membránu 2. Takto deformovaná membrána prestavuje dvojsedlový ventil 3, a tým sa uzatvára sedlo 4, teda odtok do atmosféry O2 a súčasne sa otvára prietok z komory D do komory C, v ktorej je zosilnený tlak pV a ten prúdi na výstup zosilňovača. Tlak pV súčasne pôsobí na tanier ventilu silou F4. Ak platí F3 = F4 je to rovnovážny stav a pohyblivé časti zosilňovača sú v pokoji. Ak stúpne tlak pV vzrastie sila F4, nadvihne membránu 2 a prebytočné množstvo vzduchu prúdi do atmosféry dovtedy, až klesne tlak a vznikne rovnovážny stav.
Animácia →
Sú vstupné členy, ktoré slúžia na získavanie informácií o priebehu regulovaných veličín.
Snímače tlaku a tlakovej diferencie
Opíšeme si tlakomery: kvapalinové, deformačné a piezoelektrické.
Kvapalinový tlakomer
Tieto tlakomery tvoria dve spojené trubice, ktoré sú čiastočne naplnené kvapalinou, napr. ortuťou. Z fyziky poznáme manometre v tvare U trubice. Tie nie sú vhodné na regulačné účely. Na regulačné účely sa používa plavákový diferenčný tlakomer.
V rovnovážnom stave platí:
p1 = p2 + ρgh ρ....je hustota kvapaliny [kg.m-3]
ρgh = p1 - p2 Δr = Kp.h
Δp = ρgh Kp = rg je konštanta prístroja
Tlaková diferencia je priamo úmerná výške h, a teda aj polohe plaváka. Tyčku plaváka je možné spojiť s bežcom potenciometra, a tak tlakovú diferenciu premeniť na elektrický signál.
Animácia →
Funkčnou časťou týchto tlakomerov je prvok, ktorý sa pôsobením tlaku deformuje. Veľkosť deformácie je mierou tlaku. Podľa deformujúceho člena ich delíme na membránové, vlnovcové a tlakomery s Bourdonovou trubicou.
Bourdonova trubica
Trubica má oválny alebo eliptický prierez. Jeden koniec trubice je pevne uchytený, druhý je voľný. Pôsobením pretlaku Δp má trubica snahu nadobudnúť kruhový prierez. Dĺžka vonkajších a vnútorných vlákien sa nemení, a preto sa polomer zakrivenia trubice zväčšuje a voľný koniec, t.j. bod A sa posunie do bodu A´. Medzi tlakom Δp a uhlom platí vzťah:
Δp = Kp.Δα
Kp – konštanta prístroja
Voľný koniec sa cez prevod dá spojiť s ručičkou, ktorá na stupnici ukáže veľkosť tlaku. V regulačnej technike je možné voľný koniec spojiť so systémom klapka – dýza, a tým dostaneme pneumatický signál potrebný pre pneumatický regulačný systém.
Membránový tlakomer
Pôsobením tlaku p sa membrána deformuje a presúva tyčku. Posunutie tyčky je mierou tlaku. Membrána môže byť kovová (oceľ) pre tlaky do 250 kPa alebo gumená pre tlaky do 10 kPa.
Vlnovcový tlakomer
Pôsobením tlaku sa vlnovec deformuje a presúva tyčku. Tieto tlakomery sa používajú pre tlaky do 25 MPa.
Piezoelektrický snímač
Tieto snímače využívajú piezoelektrický jav. Deformáciou kryštálov niektorých látok v určitých smeroch vzniká na stenách kryštálu elektrický náboj.
Používa sa kryštál kremeňa. Ak sila pôsobí v smere osi x – pozdĺžny piezoelektrický jav, náboj Q je daný vzťahom: Q = kp.Fx
Tieto snímače využívajú zmenu niektorých fyzikálnych veličín tuhých, kvapalných a plynných látok zmenou teploty. Delíme ich na:
- dilatačné kvapalinové teplomery
- dilatačné tyčové teplomery
- tlakové kvapalinové teplomery
- dvojkovové teplomery
- odporové teplomery
- termoelektrické teplomery
Dilatačné tyčové teplomery
Využívajú zmenu dĺžky kovovej súčiastky v závislosti od teploty podľa vzťahu: lt = l0(1+αt)
lt – dĺžka tyče pri tep t lote °C (m)
l0 – dĺžka tyče pri teplote 0 °C (m)
α – teplotný súčiniteľ dĺžkovej rozťažnosti (K-1)
t – meraná teplota v (°C)
Skladá sa zo spínacej hlavice a z meracej časti. Meraciu časť tvorí mosadzná rúrka, s ktorou je pevne spojená tyč z invaru. Invar je zliatina 36% Ni a 64% Fe a má dobrú dĺžkovú teplotnú rozťažnosť. Rúrka má dobrú dĺžkovú rozťažnosť. S narastajúcou teplotou sa rúrka predlžuje a posúva tyčku, ktorá cez pákový prevod ovláda pohyblivý kontakt. Tento teplomer sa používa ako dvojpolohový regulátor.
Tlakové kvapalinové teplomery
Využívajú zmenu tlaku kvapaliny v závislosti od teploty.
Systém je naplnený kvapalinou. So zmenou teploty kvapaliny nemôže meniť svoj objem, preto sa mení tlak v systéme, ktorý je snímaný Bourdonovou trubicou. Náplňou je ortuť pre merací rozsah –20°C až 550°C, alebo metylalkohol pre rozsah –46°C až 150°C.
Dvojkovové (bimetalické) teplomery
Dvojkov (bimetal) tvoria dva kovové pásiky, ktoré sú spolu pevne spojené. Kovy musia mať rôzny teplotný súčiniteľ dĺžkovej rozťažnosti, napr. Fe a Cu. Zmenou teploty sa dvojkov deformuje. Veľkosť deformácie je mierou teploty.
Používajú sa rôzne konštrukcie. Deformáciu voľného konca môžeme premeniť na elektrický alebo pneumatický signál.
Odporové teplomery
Vyžívajú zmenu elektrického odporu kovových vodičov so zmenou teploty. S narastajúcou teplotou odpor týchto vodičov rastie. Ak je závislosť medzi odporom a teplotou lineárna, je vyjadrená vzťahom:
Rt = R0(1+αt)
Rt – odpor pri teplote t °C v (Ω)
R0 - odpor pri teplote 0 °C v (Ω)
α – teplotný súčiniteľ odporu (K-1)
t – meraná teplota v (°C)
Pre väčší rozsah teplôt je závislosť medzi odporom a teplotou kvadratická a daná vzťahom:
Rt = R0(1+at+bt2 )
a,b – materiálové konštanty vodiča
Najčastejšie používanými materiálmi odporových teplomerov sú platina a nikel.
Termoelektrické teplomery
Termoelektrický teplomer tvoria dve vodiče z rôznych materiálov, ktoré sú na jednom konci spojené (zvarené, spájkované). Ak t > t0, potom medzi porovnávacími koncami môžeme namerať termoelektrické napätie, pre ktoré platí:
U = a + bΔt + cΔt2
a, b, c – konštanty
Δt – rozdiel teplôt meracieho a porovnávacích koncov.
Plavákový stavoznak
plavák na hladine kvapaliny sleduje jej zmenu, a jeho pohyb sa môže meniť na ľubovoľný prenosový signál, napr. plavák ovláda bežec potenciometra a na výstupe z potenciometra je to elektrický signál.
Ultrazvukové meranie výšky hladiny
Zo zdroja ultrazvuku sú vysielané
akustické vlny smerom k hladine. Meria sa čas potrebný na ich prechod k hladine
a späť k prijímaču. čas prechodu je:
Meranie obrátok stroboskopom < >
Na stroboskopickom kotúči 1 je štrbina, cez ktorú sa pozeráme na značku na meranom predmete 2. Obrátky kotúča 1 meníme dovtedy, až sa predmet 2 dostane do zdanlivého pokoja, v tomto okamihu vznikne stroboskopický jav.
Stroboskopický jav vzniká aj pri harmonickom počte, napr. pri 3000 obrátkach za minútu sa stroboskopický jav objaví aj pri obrátkach 600, 750, 1000 a 1500 za minútu. Preto treba zvyšovať obrátky kotúča 1 tak dlho, kým sa dosahuje stroboskopický jav.
Elektrický stroboskop
Tento stroboskop namiesto stroboskopického kotúča má výbojku, ktorej záblesky možno meniť nastaviteľnou frekvenciou. Pri synchronizácii zábleskov s obrátkami meraného predmetu vznikne stroboskopický jav. Podmienka správneho merania je taká istá ako pri mechanickom stroboskope.
V automatizácii treba často merať polohu. prístroje na meranie polohy môžu byť analógové alebo číslicové. Medzi analógové patria odporové, indukčné a kapacitné snímače.
Analógové snímače polohy
Odporový snímač
Najčastejšie sa v automatizácii používa potenciometer. Bežec potenciometra je spojený so súčiastkou, ktorej polohu snímame a jej pôsobením sa posúva po priamkovej alebo kruhovej dráhe odporového člena. tieto snímače majú lineárny priebeh odporu.
Odporový snímač v zapojení ako nezaťažený potenciometer: celkový odpor je R = R1 + R2.
Pre napätia a odpory platí:
U2 : U1 = R2 : R
Výstupné napätie:
Zo vzťahu vyplýva, že nezaťažený potenciometer pracuje lineárne. Zaťažený odporom pracuje nelineárne.
Indukčné snímače
Tieto snímače pracujú na princípe zmeny polohy určitej časti magnetického obvodu.
Zmenou polohy jadra sa mení indukčnosť cievky. Napr. indukčný snímač s uzatvoreným magnetickým obvodom. Zmenou polohy pohyblivej časti jadra (je spojená so súčiastkou, ktorej polohu snímame) sa mení indukčnosť cievky podľa vzťahu:
Číslicové meranie polohy
Toto meranie polohy sa robí snímačmi založenými na priamom vyhodnocovaní polohy pomocou binárne kódovaného kotúča. Na otočne uloženom hriadeli je pevne uložený kotúč s kódovaným obrazcom. Svetelné lúče zo zdroja sú usmernené optickou sústavou na kotúč, lúče prejdú len cez svetlé polia kotúča a clonu a dopadajú na fotosnímače. Impulz vyšle ten fotosnímač, ktorý je osvetlený. Každá stopa má samostatný fotosnímač. Elektrické impulzy sa po zosilnení vedú do riadiaceho systému.
