182

L9. Studiul echipamentelor auxiliare ale sistemelor automate convenionale pentru procese lente

1. Obiectul lucrrii const n studiul construciei i funcionrii unor echipamente auxiliare folosite n buclele de reglare convenionale pentru procese lente.

2. Echipamente auxiliare folosite n structura sistemelor automate convenionale

n cadrul echipamentelor unificate de automatizare, pe lng echipamentele unificate de baz - regulator, traductor, convertor - se folosesc o serie de echipamente auxiliare care confer schemelor de automatizare o mai mare flexibilitate funcional. Prin utilizarea unor asemenea echipamente auxiliare numrul proceselor ce pot fi deservite de echipamentele de automatizare unificate crete considerabil. n categoria unor asemenea echipamente auxiliare pot fi ncadrate: elemente de referin, limitatoare de semnal, convertoare tensiune -curent, elemente analogice de calcul, elemente de comand manual, indicatoare i nregistratoare automate, integratoare specializate, elemente de substituire, elemente de separare galvanic, poziionere electronice pentru comanda servomotoarelor elementelor de execuie, diverse surse de alimentare, verificatoare de blocuri etc. 2.1 Convertorul tensiune -curent ELX 120 Convertorul tensiune -curent ELX 120 este destinat convertirii unui semnal unificat de tensiune continu din gama 0,4...2V n semnal unificat de curent continuu n gama 2...10 mA. A fost proiectat special pentru a permite cuplarea n aceeai bucl de reglare a echipamentelor unificate i neunificate. Schema bloc a convertorului tensiune - curent ELX 120 este prezentat n figura 1.

183

Fig. 1 Schema bloc a convertorului tensiune-curent ELX 120 Convertorul tensiune -curent ELX 120 este alctuit din urmtoarele patru blocuri componente: a) H 51 - surs de curent stabilizat; b) H 22 - amplificator cu chopper; c) amplificator final (de putere); d) circuit de corecie (reacie). a) Sursa de curent stabilizat H51 este prezentat n figura 2.

Fig. 2 Schema electric a blocului H 51

Blocul H 51 conine un stabilizator de tensiune tip derivaie cu diode Zener cu dou trepte de stabilizare.

184

Sursa de curent H51 furnizeaz un curent continuu constant mA5I = . Caracteristicile tehnice ale sursei de curent stabilizat H 51 sunt:

- tensiunea de alimentare: 23,5V - tensiunea stabilizat: 6V 0,1 % - rezistena de sarcin: 1200 ohmi - variaia tensiunii de ieire: 0,05 %. b) Blocul H22 este un amplificator de curent continuu. Amplificarea direct a semnalelor de curent continuu este dificil din punct de vedere tehnic, motiv pentru care sunt utilizate amplificatoarele de curent continuu cu modulare -amplificare - demodulare. Aceste tipuri de amplificatoare, numite i amplificatoare cu eantionare sau amplificatoare cu chopper, cuprind urmtoarele pri componente: modulator, amplificator, demodulator i oscilator. - Modulatorul transform semnalele de curent continuu n semnale proporionale de curent alternativ de trecven constant. - Amplificatorul este de curent alternativ i produce la ieire un semnal, de asemenea, de curent alternativ, ns amplificat fa de cel primit de la modulator. - Demodulatorul redreseaz semnalul primit de la amplificator transformndu-l ntr-o mrime continu (pulsatorie -filtrat) proporional cu semnalul continuu aplicat iniial. - Oscilatorul produce o tensiune de amplitudine i frecven constant ( .cstf0 = ) care comand sincron funcionarea modulatorului i demodulatorului. Amplificatorul de curent continuu, folosind modulator electronic, este prezentat n figura 3. Amplificatorul H22 are n componen un modulator i un demodulator cu funcionri similare avnd cte dou tranzistoare, T1 i T2 respectiv T3 i T4, funcionnd n comutaie (cnd tranzistorul are jonciunea emitor - baz polarizat direct, el conduce, adic se comport ca o rezisten nul, deci ca un contact nchis, iar cnd jonciunea emitor -baz este polarizat invers tranzistorul este blocat, adic se comport ca o rezisten infinit, deci ca un contact deschis), adic complet blocat sau complet deschis i comandate sincron de un oscilator de frecven constant ( Hz500f0 = ).

185

Fig. 3 Schema electric a amplificatorului de c.c. tip H 22 cu modulator electronic

Un amplificator de curent alternativ format din trei tranzistoare (T5, T6 i T7) asigur procesul de amplificare a mrimii de intrare. Pentru explicarea funcionrii n ansamblu a amplificatorului se consider c n momentul din care se ncepe amplificarea (t = 0) tensiunea

0U dat de oscilator este nul ( 0U0 = ) i ncepe s descrie o semiperioad pozitiv, bornele polarizate ale transformatorului TA 3, de adaptare, a oscilatorului fiind e i g (notate cu stelu *). Variaia n timp a tensiunilor din amplificatorul tip H22 sunt prezentate n fig. 4: a - tensiunea de intrare ( iU ); b - tensiunea oscilatorului ( 0U ); c - tensiunea de intrare eantionat ( mU ); d - tensiunea modulat ( fU );

e - tensiunea de ieire n semiperioadele pozitive ( 1eU 1); f - tensiunea de ieire n semiperioadele negative ( 2eU ); g - tensiunea de ieire filtrat ( eU ).

186

Fig. 4 Graficul tensiunilor din amplificatorul H22 Oscilatorul produce tensiunea 0U de valoare constant ( .cstU0 = ) i de frecven constant ( Hz500f0 = ). Perioada semnalului de tensiune 0U va fi:

ms2s500

1f1T0

0 === , (1) astfel c n figurile de mai sus (4.a 4.g) scara timpului a fost divizat n cte o milisecund pentru o semiperioad.

187

Se consider o tensiune de intrare n modulator iU de curent continuu (avnd polaritatea cu + pe emitorul lui 1T ), ns avnd o variaie oarecare n timp (fig. 4.a). n semiperioadele pozitive ale tensiunii 0U (t = 0...1, 2...3, 4...5, ms) borna e a transformatorului TA3 este pozitiv fa de borna f, ceea ce face ca: - tranzistorul 1T s se deschid datorit polarizrii directe a jonciunii colector-baz (c1-b1); - tranzistorul 2T s se blocheze datorit polarizrii inverse a jonciunii (c2-b2). Tensiunea de intrare iU trece prin tranzistorul 1T (circuitul emitor-colector) att timp ct 0U este pozitiv, ca i cum n aceste semiperioade ntre e1 i c1 s-a stabilit un contact electric. n semiperioadele negative ale tensiunii 0U (t = 1...2, 3...4, 5...6, ms) borna e este negativ fa de borna f, ceea ce face ca tranzistorul 1T s se blocheze ntrerupnd circuitul de intrare, iar tranzistorul 2T s conduc. n acest mod transformatorul de adaptatre TA1 va primi la intrare o tensiune mU sub forma unor impulsuri dreptunghiulare (se consider pentru simplificare c ntr-o semiperioad de 1 ms tensiunea de intrare iU se menine constant) numai n semiperioadele cnd 1T conduce ( 0U > 0); n semiperioadele cnd 1T este blocat ( 0U

188

- producerea unei supratensiuni inverse pe jonciunea colector-emitor a trazistorului 1T datorit energiei magnetice nmagazinate n transformatorul TA1, fapt care ar putea conduce la strpungerea tranzistorului respectiv. Transformatorul TA1 produce la ieire o tensiune alternativ periodic ns deformat (nesinusoidal). Se demonstreaz c o und periodic nesinusoidal, cum este tensiunea mU , se poate descompune ntr-o sum de componente sinusoidale (armonici) de frecvene 0f , 0f2 ,

0f3 ,...i un termen constant 0mU , (descompunere n serie Fourier). Componenta continu 0mU este eliminat fiind aplicat n primarul transformatorului TA1, iar cu ajutorul condensatorului fC (filtru) din secundarul transformatorului TA1 sunt eliminate i armonicile superioare. Tensiunea fU obinut la ieirea modulatorului va fi o tensiune

alternativ sinusoidal de frecven constant ( Hz500f0 = ) ns modulat n amplitudine. Tensiunea fU este amplificat apoi n amplificatorul de curent alternativ tranzistorizat n trei etaje (T5, T6 i T7) producnd la ieirea transformatorului de adaptare TA2 o tensiune dU proporional cu fU :

fAd UKU = (2)

unde: AK este factorul de amplificare al amplificatorului de curent alternativ. Tensiunea dU are polaritatea din fig. 4.d, avnd acceai faz ca i

fU i fiind reprezentat prin aceeai diagram ns folosind o scar de AK

ori mai mare dect fU . Tensiunea dU de la ieirea amplificatorului de curent alternativ este aplicat demodulatorului ale crui tranzistoare T3 i T4 comandate de acelai oscilator funcioneaz sincron cu tranzistoarele T1 i respectiv T2. Astfel, n semiperioadele pozitive (t = 0...1, 2...3, 4....5, ms) borna g a transformatorului TA3 fiind pozitiv fa de borna h, tranzistorul T3 conduce, iar tranzistorul T4 este blocat.

189

n consecin, tensiunea de ieire Ue1 n aceste perioade va fi egal cu Ud (circuitul c(+) - 0 -R1- e3 - c3 - d(-)). n lipsa condensatorului de "netezire" C1 tensiunea Ue1 cuprinde pulsurile pozitive ale tensiunii Ue (fig.4.e). n semiperioadele negative tranzistorul T3 este blocat i tranzistorul T4 conduce, iar tensiunea dU care i-a schimbat polaritatea se aplic la ieire sub forma tensiunii Ue2 ns de acelai sens cu Ue1 (circuitul d(+)- c4 - e4 -R2 - 0- c(-)). n acest caz se constat c pulsurile tensiunii Ue2 sunt pozitive. Tensiunea de ieire eU este dat de suma celor dou tensiuni:

2e1ee UUU += (3)

Datorit condensatoarelor de "netezire" C1 i C2 tensiunea eU nu mai este format din pulsuri, ci are o form filtrat (fig.4.g) adic practic se obine prin unirea vrfurilor pulsurilor componente. S-a obinut aadar o tensiune continu eU de aceeai form cu iU i proporional cu aceasta:

ie UKU = (4) unde: K este factorul total de amplificare. Dac tensiunea de intrare iU se inverseaz ca polaritate (presupunnd aceeai variaie din fig.4.a) rezult c pulsurile dreptunghiulare se vor inversa ca polaritate. n acest caz tensiunile fU i respectiv dU ( id UkU = ) i vor modifica faza cu 1800, ceea ce nseamn c tensiunile 1eU i 2eU , respectiv

eU ( 2e1ee UUU += ) i vor schimba polaritatea. n consecin amplificatorul descris este "sensibil la faz" (polaritate). c) Amplificatorul final este un amplificator de curent continuu asimetric, care furnizeaz la ieire o variaie de curent unificat n gama 2...10 mA, sau n gama 4...20 mA, pentru o variaie a semnalului de la intrarea convertorului n gama 0,4...2 V c. c.

190

d) Circuitul de reacie asigur o reacie negativ puternic printr-un circuit de stabilizare a punctului de zero. 2.1.1. Chestiuni de studiat: - Identificarea construciei i funcionarii convertorului tensiune - curent ELX -120. - Studiul comportrii staionare i dinamice a convertorului tensiune - curent ELX -120. 2.1.2. Studiul convertorului tensiune-curent ELX 120 Se realizeaz montajul din figura 5. Pentru simularea tensiunii de intrare se folosete sursa de curent constant ELZ -101 i o rezisten decadic calibrat Rd.

Fig. 5 Montaj pentru studiul convertorului tensiune-curent ELX 120 Apoi se fixeaz cu rezistena decadic o valoare a rezistenei de 200 care se va alimenta cu un curent variabil, n limitele 2...10 mA de la sursa de curent ELZ -101. Pe rezisten decadic Rd va rezulta o variaie de tensiune dorit n gama 0,4...2V c.c., msurabil i cu un voltmetru de tip MAVO-35. Ieirea convertorului se conecteaz pe un ampermetru tip MAVO-35. Punerea sub tensiune a montajului se va realiza numai dup ce vor fi realizate toate conexiunile. Se fixeaz cu ajutorul sursei ELZ-101 un curent de 10 mA (deci

191

semnal de intrare de 2V c.c.) i se regleaz poteniometrul marcat prin "AMPLIF" din convertor pn ce la ieire rezult 10 mA 0,02 mA. Se aplic apoi, la intrarea convertorului, tensiuni corespunztoare punctelor de 0%, 25%, 50%, 75% i 100% din plaja de variaie menionat, prin modificarea corespunztoare a curentului de intrare, i se citesc valorile corespunztoare ale curentului de ieire. Datele se trec n tabelul urmtor:

Intrare (%) 0 25 50 75 100 Ieire (mA)

Pe baza datelor obinute se reprezint caracteristica static I = f(U). 2.2. Bloc de referin cu motor - BRM Blocul de referin cu motor BRM face parte din categoria aparatelor secundare de panou, fiind folosit n scopul fixrii de la distan a mrimii de referin sau convertirii semnalelor discontinue de ieire ale unui regulator tripoziional tip ELC 132, cu lege de reglare PID, n semnale unificate de tensiune sau curent. Aparatul se compune dintr-o carcas metalic, paralelipipedic cu o u transparent. Carcasa este prevzut cu un compartiment de borne pentru conexiuni. n interiorul carcasei se gsete ansamblul funcional realizat n construcie glisant, prevzut cu conductoare de legtur. Ansamblul funcional const dintr-o parte electromecanic i o parte electronic. Produsul se compune din urmtoarele grupuri funcionale prezentate n figura 6: - bloc de alimentare i comand; - bloc servomotor; - bloc convertor tensiune-curent (la cerere). Schema realizat funcioneaz pe baza inversrii sensului de rotire a unui servomotor bifazat. Corespunztor comenzii primite la intrare, nfurarea de comand a servomotorului este alimentat cu o tensiune defazat cu 900 fa de alimentarea nfurrii sale de excitaie. Servomotorul rotindu-se antreneaz cursorul reocordului alimentat la o tensiune stabilizat.

192

Fig. 6 Schema electric a blocului de referin cu motor BRM

ntre cursor i un capt al reocordului se culege semnalul de referin n tensiune. Pentru varianta semnalului de referin n curent, n blocul de referin cu motor BRM se introduce un bloc convertor tensiune-curent. Aparatul este prevzut cu contacte de limit de curs pentru protecia servomecanismului. 2.2.1. Chestiuni de studiat: - Identificarea construciei i funcionarii blocului de referin cu motor BRM. - Studiul comportrii staionare i dinamice a blocului de referin cu motor BRM. 2.2.2. Studiul blocului de referin cu motor BRM Se realizeaz montajul din figura 7. Se determin caracteristica static xe= f (xi) a blocului de referin cu motor BRM.

193

Fig. 7 Montaj pentru ncercarea blocului de referin cu motor BRM Mrimea de ieire xe a blocului de referin cu motor BRM se modific n sens cresctor nchiznd butonul B1 i n sens descresctor nchiznd butonul B2. 2.3 Elemente analogice de calcul 2.3.1 Descrierea necesitii, construciei i funcionrii n sistemele de reglare automat este necesar s se utilizeze elemente analogice de calcul, care s efectueze o serie de operaii algebrice elementare (adunare, scderea, nmulirea, mprirea unor semnale) sau funciuni relativ mai complexe (rdcin ptrat, integratoare numerice etc.). Schema bloc general a unui element de calcul include trei etaje: etajul de intrare, etajul de calcul i etajul de ieire. Introducerea unui etaj de intrare este necesar pentru depolarizarea semnalelor de intrare (adic pentru trecerea de la semnal unificat cu zero fals la semnal cu zero real), pentru realizarea adaptrii de impedan i pentru aducerea semnalelor de intrare n gama de valori necesar etajului de calcul. Etajul de calcul servete pentru efectuarea operaiilor de calcul care formeaz funcia principal a elementului analogic de calcul, folosind diveri algoritmi de calcul. Etajul de ieire are rolul de a repolariza semnalul analogic (adic s se treac de la semnal cu zero real la semnal cu zero fals), de a asigura puterea necesar semnalului de ieire, de a converti semnalul de la ieirea etajului de calcul ntr-un semnal unificat de curent sau tensiune, asigurnd o anumit gam de variaie a semnalului de ieire, sau ntr-un semnal discret

194

pentru afiare numeric. Realizarea operaiilor de calcul prin metode analogice are la baz utilizarea unor circuite integrate clasice (ca de exemplu amplificatoare operaionale), a unor circuite integrate monolitice ce asigur o precizie ridicat de calcul. Generaia precedent a circuitelor analogice de calcul, fabricate n ar se bazau pe utilizarea amplificatoarelor cu tranzistoare pe principiul modulare-amplificare n curent alternativ-demodulare. Aceste elemente analogice de calcul asigurau precizia impus (clasa de precizie 0,5), dar utiliznd un numr mare de componente pasive i active, nu prezentau o fiabilitate ridicat. Dintre caracteristicile elementelor de calcul remarcm aici dou: - precizia - respectiv abaterea mrimii de ieire de la valoarea exact; - viteza de calcul - respectiv timpul necesar obinerii rezultatelor calculelor, din momentul aplicrii semnalului de intrare, ambele influiennd n mod hotrtor performanele buclelor de reglare. 2.3.2. Elemente analogice de calcul pentru efectuarea operaiei de adunare - scdere Efectuarea operaiei de adunare - scdere a unor semnale analogice are la baz utilizarea unui amplificator operaional, integrat n regim de sumator (figura 8), unde pentru simplificare s-au considerat dou semnale aplicate prin rezistene la intrarea inversoare i dou semnale la intrarea neinversoare.

Fig. 8 Amplificator operional n regim de sumator

195

Dac pentru punctul de nsumare cu inversare se aplic prima lege a lui Kirchhoff, se obine:

4R3U0UeU

12R3U0U12U

11R3U0U11U =+

(5) Considernd c amplificatorul operaional are o rezisten de mod comun foarte mare n raport cu rezistena R3, se poate scrie n mod identic:

3

3

22

322

21

321RU

RUU

RUU =+

(6)

sau dup unele transformri se obine:

++=+

222133

22

22

21

21R1

R1

R1U

RU

RU

(7)

de unde rezult c:

)22R1

21R1

3R1(:)

22R22U

21R21U(3U +++=

(8) Un amplificator operaional are la o ieire o tensiune proporional cu tensiunea U0 adic Ue = -A*U0, unde A este factorul de amplificare, iar semnul minus se datoreaz numrului impar de etaje de amplificare. n acest caz relaia (5) devine:

4

e

412113UA4R

1

12R

1

11R

1

AeU

12R12U

11R11U

RU

R1

R1

R1 =

++

++++

(9) i nlocuind (8) n (9) se obine

196

+++=

++

++

++

A4R1

12R1

11R1

A1

4R1

eU

22R1

21R1

3R1

4R1

12R1

11R1

22R22U

21R21U

12R12U

11R11U

(10)

Tensiunea de ieire este:

AR1

R1

R1

A1

R1

U

412114

22R1

21R1

3R1

4R1

12R1

11R1

22R22U

21R21U

12R12U

11R11U

e

+++

=

++

++

++

(11)

Deoarece amplificatoarele operaionale au un factor de amplificare foarte mare, adic A>>1, termenul al doilea de la numitor se poate neglija. Considernd R3=R4 i rezistenele de intrare egale, adic

122211211 RRRRR ==== , atunci se simplific fracia din termenul al doilea de la numrtor din relaia (11) i se obine:

( )222112111

4e UUUUR

RU += (12)

Deci cu ajutorul schemei analizate se poate scdea suma tensiunilor aplicate pe rezistenele de la intrarea neinversoare din suma tensiunilor aplicate pe rezistene la intrarea inversoare a amplificatorului operaional. Din deducerea relaiei (12) rezult c un element analogic de calcul pentru adunarea -scderea unor semnale sub form de tensiuni c.c., realizat dup schema din fig. 8, este caracterizat de o serie de erori. Astfel datorit neglijrii unor termeni n relaia de calcul (considernd A >>1, ceea ce este justificat la amplificatoare operaionale integrate care au A> 60000) i datorit rezistenei de mod comun insuficient de mari (Rcm >50 M la aceleai amplificatoare), alegnd R4

197

n figura 9 este reprezentat schema simplificat a elementului analogic de adunare -scdere ELX 212. Relaia de calcul a acestui element este: ( ) ( ) ( ) ( ) 44SK4ZK4YK4XKW 431211 ++++= (13)

unde: X, Y, Z, i S sunt semnale unificate de intrare (4...20 mA), W este semnalul de ieire, iar K1, K2, K3, K4 sunt coeficieni variabili.

Fig. 9 Schema electric a elementului pentru adunare - scdere ELX 212

n fig. 9, s-a desenat numai un etaj de intrare pentru semnalul X. Dup cum se observ etajul de intrare cuprinde amplificatorul A1 (pentru depolarizare), amplificatorul A3 (pentru adaptare de impedan) i o rezisten variabil pentru fixarea coeficentului K1, care este reglabil manual. Etajul de calcul este format din amplificatorul A4 cu cte 4 intrri inversoare i neinversoare. Etajul de ieire este un modul tipizat format din amplificatorul A5 i convertorul tensiune - curent alctuit din tranzistoarele T6, T7, T8. Pentru fiecare semnal de intrare se poate alege semnul prin conectarea ieirii etajului de intrare la borna inversoare sau neinversoare a etajului de calcul.

198

2.3.3. Elemente analogice de nmulire, mprire, nmulire -mprire i extragere a rdcinii ptrate Pentru realizarea operaiunii de multiplicare a dou semnale analogice se pot folosi mai multe metode: 1. Multiplicatoare bazate pe utilizarea efectului Hall. Acestea s-au fabricat n serie pn la apariia circuitelor integrate pe scar larg. 2. Multiplicatoare bazate pe utilizarea relaiei: [ ]22 )yx()yx(

41yx += (14)

Aceast metod de multiplicare a dou semnale analogice s-a folosit la calculatoarele analogice, cnd amplificatoarele operaionale erau construite utiliznd componente discrete active i pasive. 3. Multiplicatoare analogice bazate pe variaia transconductanei. Acest tip de multiplicatoare i-a extins aria de utilizare n special odat cu apariia circuitelor integrate pe scar larg, cnd pentru nlturarea unor surse de erori s-au putut folosi metode deosebit de eficiente. La multiplicatoarele cu transconductan un semnal determin varierea factorului de multiplicare, iar cellalt semnal se aplic la intrarea amplificatorului. Varianta constructiv a multiplicatoarelor cu transconductan, realizate cu circuite integrate monolitice, permite obinerea unei precizii ridicate (sub 0,5%) i o band de trecere de minimum 1MHz, ceea ce acoper gamele de frecven ale semnalelor att n cazul reglrii proceselor lente, ct i a proceselor rapide. Schema unui multiplicator cu transconductan este prezentat n figura 10. Pornind de la relaia care descrie dependena curent - tensiune a unei jonciuni n conducie, avnd n vedere simetria etajului de amplificare diferenial, n cazul cnd tensiunea aplicat la intrarea Ux este mult mai mic dect cderea de tensiune pe rezistena proprie a jonciunii baz -emitor (adic Ux

199

Fig. 10 Multiplicator cu transconductan Pentru varierea transconductanei se schimb valoarea curentului de emitor Ie, folosind un circuit care realizeaz dependena ye UKI = . n aceste condiii, relaia care definete dependena tensiunii de ieire de cele dou tensiuni de intrare xU , yU , devine yxme UUKU = , unde, mK este coeficientul de transfer al multiplicatorului, care ns este dependent de temperatura jonciunii. Pentru evitarea unor erori datorit neliniaritii caracteristicii baza -emitor pe poriunea iniial, adic pentru valori mici ale curentului de emitor, se introduce o tensiune de polarizare a jonciunii, ceea ce determin ns apariia unui nou termen. Astfel tensiunea de ieire se definete prin relaia:

xmyxme UKUUKU += (15) Pentru compensarea termenului al doilea, la etajul de amplificare care urmeaz dup etajul de multiplicare se scade tensiunea Ux, multiplicat cu un coeficient. Pentru micorarea surselor de erori, datorit variaiei temperaturii s-a folosit o nou tehnologie de realizare a etajului diferenial de amplificare. Astfel tehnologiile de obinere a circuitelor integrate, permit realizarea etajului diferenial pe acelai substrat cu un regulator automat al temperaturii structurii.

200

O alt soluie de compensare a influenei variaiei temperaturii const n realizarea unor scheme mai complexe, utiliznd amplificatoare difereniale cu scheme de compensare, realizate tot sub forma unui circuit integrat monolitic, care include i un amplificator operaiunal sumator care convertete tensiunea de ieire Ue ntr-o ieire asimetric. a. Elementul analogic de nmulire ELX 232-1. Pentru realizarea elementului analogic de nmulire a dou semnale ELX 232-1 se folosete principiul bazat pe variaia transconductanei. Relaia de calcul, care definete dependena semnalului de ieire W, funcie de cele dou semnale analogice de intrare X i Y este: ( ) ( )0010 YY XXKKWW += (16) unde: X i Y sunt semnale unificate de tensiune, X0, Y0, W0 sunt semnale de zero real, care pot fi i nule; K1 este un coeficient de extindere a gamei, fix sau variabil n domeniul 1...2, iar K un coeficent pentru ncadrarea n gama de variaie a semnalelor. n cazul utilizrii unor semnale unificate de intrare n curent, acestea sunt transformate pe o rezisten de precizie n semnale unificate de tensiune 0...5 V sau 1...5 V, n funcie de prezena sau nu a zeroului fals. Caracteristicile tehnice principale ale elementului de multiplicare a dou semnale analogice sunt: impedana de intrare pentru semnale n tensiune mai mare dect 1 M; precizia de efectuare a operaiei de calcul 0,3 %; eroarea maxim cu temperatura 3 % /100 C.

b. Elementul analogic de mprire a dou semnale ELX 232-2. Folosind elementul de nmulire se poate realiza o schem pentru mprirea a dou semnale analogice, prezentat n figura 11. Scriind ecuaia curenilor n punctul de nsumare se obine:

2

mzem

1

xR

UUUKRU = (17)

201

unde mU este eroarea de calcul a elementului de multiplicare, iar R1, R2 sunt rezistena de intrare, respectiv rezistena din circuitul de reacie.

Fig. 11 Element de mprire a dou semnale Din aceast relaie se obine tensiunea de ieire:

+=

z

m

1m

2x

me U

URKRU

K1U (18)

de unde rezult c eroarea de calcul este dependent de mrimea semnalului de intrare Uz. Din acest motiv precizia unui element de mprire se definete pe domenii de variaie a tensiunii "mpritoare", nefiind mai mic de 10%. Relaia de calcul a elementului ELX 232-2 pentru mprirea a dou semnale analogice este:

( )020

0 YYKXXKWW

+= (19) unde: X i Z sunt semnale unificate de intrare, K este un coeficient pentru ncadrarea n gam, iar K2 este un coeficient variabil ntre 1 i 2. Realizarea operaiei de mprire a dou semnale analogice prin utilizarea unui element de multiplicare n circuitul de reactie al unui amplificator operaional creaz posibiliti mari de tipizare a modulelor. Dup cum s-a artat precizia operaiei de calcul depinde de gama de variaie a tensiunii mpritoare, erorile fiind prezentate n tabelul 1.

202

Tabelul 1 Erori ale elementului analogic de mprire

Gama tensiunii Uz Precizia operaiei de calcul

Eroarea maxim cu temperatura % /100C

30...100% 15...30 %

0,5 % 1,0 %

0,5 % 1,0

c. Elementul analogic pentru nmulire- mprire ELX 232-3. n vederea obinerii unui element analogic de calcul pentru nmulire- mprire a unor semnale analogice se folosesc dou elemente de nmulire, interconectate, folosind i amplificatoare operaionale auxiliare. Relaia de calcul a elementului analogic de calcul pentru nmulire- mprire ELX 232-3 este: ( )( )

( )02001

0 ZZKYYXXKKWW

+= (20) unde: X, Y, Z sunt semnalele de intrare; X0, Y0, Z0 sunt semnalele de zero fals; coeficienii K1, K2 sunt constante variabile; iar K un coeficient de gam. Elementul ELX 232-3 are schema bloc asemntoare funcional cu elementul de compensare ELX 242, existnd diferene n modul de fixare a unor coeficieni. d. Elementul de compensare ELX 242. Compensatorul de temperatur i umiditate ELX 242, este un aparat industrial din categoria elementelor secundare (figura 12). Se cunoate c debitmetrul de presiune diferenial este astfel proiectat nct s satisfac precizia impus, numai n anumite condiii de temperatur i umiditate. Atunci cnd se schimb caracteristicile gazului de msurat ca: presiunea, temperatura i umiditatea, nu se mai msoar valoarea real a debitului, dect dac se realizeaz compensri pentru aceste schimbri, care se pot realiza prin corectarea valorilor msurate.

203

Fig. 12 Elementul de compensare ELX 242 Aceast corectare se poate face automat, atunci cnd compensarea se face prin schimbarea direct a semnalului de curent de ieire. Astfel un traductor are definit caracteristica static: curent de ieire 4...20 mA funcie de debit pentru o anumit temperatur a lichidului i pentru anumite valori ale presiunii statice i ale umiditii. Relaia de calcul a elementului de compensare ELX 242 este:

( )bpbp

atatXXWW

0

000 +

++++= (21)

unde: W0 este valoarea iniial a semnalului de ieire, X este valoarea semnalului care trebuie compensat, t - temperatura fluidului. p - presiunea fluidului; t0 i p0 sunt valori iniiale ale mrimilor menionate, iar a i b sunt nite constante. Pentru realizarea compensrii automate i n raport cu variaia umiditii mai este necesar introducerea nc a unui factor. Dup cum se observ din relaia de calcul (21), pentru compensarea automat a msurrii debitului n raport cu temperatura i presiunea este necesar efectuarea unor operaii de nmulire i de mprire. Schema bloc simplificat a compensatorului automat ELX 242 este prezentat n figura 12, unde s-au considerat toate semnalele de tensiune cu zero real. Din structura elementului de compensare rezult c semnalul U de intrare este:

TWU = (22)

204

iar n condiii idealizate considernd rezistenele R1 = R2 = R are loc relaia:

XPTW = (23) care aproximeaz relaia de calcul necesar. Utiliznd circuite integrate monolitice, cu compensarea automat a influienei variaiei temperaturii mediului, se obine un element analogic de calcul de precizie ridicat. e. Element de extragere a rdcinii ptrate ELX 222. Elementele de extragere a rdcinii ptrate dintr-un semnal analogic sunt cele mai utilizate elemente de calcul n instalaiile de automatizare a proceselor lente, deoarece acestea se folosesc la msurarea debitelor prin metoda presiunii difereniale. Schema de principiu a elementului de extragere a rdcinii ptrate dintr-un semnal analogic este prezentat n figura 13.

Fig. 13 Element de extragere a rdcinii ptrate ELX 222 Se observ c spre deosebire de elementul anlogic de mprire, ambele intrri ale elementului de multiplicare sunt conectate la tensiunea de ieire a amplificatorului operaional. Ecuaia punctului de nsumare este:

2

m2em

1

xR

UUKRU = (24)

de unde, pentru R1= R2,rezult:

205

x

m

m

xe U

U1KUU += (25)

Prin urmare eroarea de calcul este dependent de mrimea semnalului de intrare, dar elementul de multiplicare fiind n cir-cuitul de reacie negativ se poate demonstra c extractorul de radical are o precizie relativ bun n funcionare, ncadrndu-se n clasa de precizie 0,5%. 2.3.4 Integratorul electronic specializat ELI 1122 Integratorul electronic ELI 1122 este destinal utilizrii n instalaiile industriale de automatizare, n cazul n care este necesar contorizarea debitelor. Integratorul ELI face parte din categoria elementelor secundare de automatizare din cadrul sistemului electronic unificat de reglare i se utilizeaz n instalaiile de reglare automat a proceselor tehnologice lent variabile n timp. Primind la intrare un semnal electric unificat, proporional cu valoarea debitului, furnizat de traductoarele de debit (debitmetre electromagnetice) aparatul ELI afieaz valoarea cantitii de fluid care parcurge instalaia. Pentru cazul msurrii debitului prin metoda presiunii difereniale, respectiv prin utilizarea de traductoare de presiune diferenial este asigurat o variant care efectueaz extragerea rdcinii ptrate, concomitent cu contorizarea. Caracteristici: - construcie simpl i robust, aplicabilitate larg, fiabilitate ridicat, design i concept modern, precizie nalt. Specificaii tehnice: - semnalul de intrare unificat n curent sau tensiune c.c.: 4 -20mA; 2 -10mA; 0 -5mA; 1 -5V - viteza de integrare: ( numr uniti/or pentru semnal de intrare de 100%): 100, 200, 250, 300, 360, 400, 500, 600, 720, 1000, 1500, 1800, 2000, 2500, 3000, 3600, 5000, 6000, 7200, 10000. - precizie: 0,5%

206

2.3.5 Chestiuni de studiat. - Identificarea construciei i funcionrii elementelor analogice de calcul de pe standul existent n laborator; - Studiul comportrii staionare a elementelor analogice de calcul de pe standul existent n laborator. 2.3.6 Modul de lucru n laborator. 1. Se vor explica schemele din figurile 8 - 13; 2. Se identific elementele analogice de calcul i bornele acestora de pe standul din laborator; 3. n scopul ncercrii elementelor analogice de calcul, se utilizeaz aparatele existente pe stand, aparate de msur tip MAVO-35 i eventual surse de semnale unificate tip ELZ 101. 2.4 Indicatoare i nregistratoare automate. 2.4.1 Descrierea construciei i funcionrii. Indicatoarele i nregistratoarele realizate ntr-un numr important de tipovariante ofer posibilitatea de afiare i respectiv nregistrarea continu a valorilor instantanee a unor parametri de proces. Aceast grup de aparate este destinat n principal semnalelor din instalaiile de automatizare a proceselor lente. Aceste aparate permit soluionarea celor mai diferite cazuri n care se cere vizualizarea valorilor i a variaiilor parametrilor din proces. O particularitate important a acestor aparate este aceea de a putea realiza o serie de funciuni suplimentare, concomitent cu msurarea i nregistrarea fr a afecta precizia acestora. Se obin astfel nsemnate economii n costul echipamentelor de automatizare, adoptarea unor funciuni suplimentare permind reducerea numrului aparatelor din bucla de reglare. Pe de alt parte, precizia ridicat a acestor aparate este justificat tocmai prin existena funciunilor suplimentatre. Aparatele indicatoare i nregistratoare se mpart n dou categorii: - aparate pentru msurarea semnalelor electrice de c.c. neunificate;

207

- aparate pentru msurarea semnalelor electrice de c.c.unificate. n ambele cazuri funcionarea aparatelor se bazeaz pe principiul compensrii automate. n figura 14, care prezint schema de principiu a aparatelor indicatoare i nregistratoare, sunt incluse urmtoarele pri componente: amplificator de eroare (1), servomotor (2), mecanism de transformare a micrii (3), reocord (poteniometru calibrat) (4), scal indicatoare (5) i surs de curent constant (6).

Fig. 14 Schema de principiu a aparatelor indicatoare i nregistratoare

Aparatele destinate msurrii semnalelor neunificate (tensiuni c.c. sau rezistene variabile), compar semnalul de intrare cu un semnal intern (tensiune c.c sau rezisten), a crui valoare depinde de poziia acului indicator; n cazul semnalelor de tensiune comparaia se face prin metoda poteniometric, iar n cel al semnalelor n rezisten comparaia se face cu ajutorul unei puni Wheastone. n cazul existenei unei diferene ntre cele dou semnale comparate rezult un semnal de eroare care este aplicat unui amplificator de c.c. cu circuite integrate.

208

Semnalul de ieire al amplificatorului este apoi aplicat unui etaj de comand, care acioneaz un servomotor electric, prin intermediul cruia acul indicator este pus n micare i adus n poziia n care semnalul de eroare se anuleaz moment n care acul indicator arat valoarea semnalului aplicat la intrarea aparatului. Aparatele destinate msurrii semnalelor unificate folosesc tot schema poteniometric descris anterior; n cazul semnalelor unificate n curent acestea sunt aplicate unei rezistene precis calibrate - a crei valoare depinde de tipul semnalului unificat - cderea de tensiune aprut pe capetele rezistenei reprezentnd semnalul n tensiune aplicat schemei de comparare. Obinerea unei bune eficiene prin utilizarea unui aparat indicator sau nregistrator depinde n primul rnd de o corect alegere a tipo-variantei acestuia. Cunoscnd c aceast serie de aparate este destinat instalaiilor de automatizare a proceselor lente, n care purttorul informaiei este un semnal electric analogic (curent sau tensiune c.c.), de tip unificat sau neunificat, alegerea tipo-variantei necesare unei anumite aplicaii trebuie fcut inndu-se seama de urmtoarele criterii: I. Semnalul de intrare: - pentru semnalele unificate : aparate din seria ELR; - pentru semnalele neunificate : aparate din seria E. II. Domeniul de msurare: - n semnalul unificat: seria ELR acoper toate semnalele unificate de c.c. uzuale; - n semnalul neunificat: seria E este dezvoltat pe 3 variante principale i anume: - varianta E 0xxx: pentru semnalul de la termocupluri, - varianta E 1xxx: pentru semnalul de la termorezistene, - varianta E 5xxx: pentru semnalul de la sursa de mV c.c. III. Precizia de msurare: Aparatele de gabarit mic din seriile E i ELR, se ncadreaz n clasa de precizie 0,4. Cele de gabarit mare, din seriile E i ELR, se ncadreaz n clasa de precizie 0,25.

209

IV. Afiarea informaiei: Aparatele indicatoare (seriile E 12 i ELR 12) afieaz continuu valoarea semnalului de intrare. Aparatele nregistratoare au diverse posibiliti de afiare i anume: - afiarea i nregistrarea continu a semnalului de intrare (tipurile Ex352, Ex362, ELR 352 i ELR 362), - afiarea i nregistrarea continu a dou semnale de intrare diferite (tipurile Ex462, ELR 452 i ELR 462). - afiarea i nregistrarea discontinu (succesiv) a 2...12 semnale de intrare diferite (tipurile Ex362A i ELR 362A). V. Variaia semnalului de intrare: La aparatele nregistratoare cu afiare continu, variaiile lente ale semnalului aplicat la intrare sunt inscripionate sub forma unei linii fine, clare, permind o bun urmrire a parametrului msurat; lizibilitatea este o funcie depinznd de frecvena variaiei semnalului de intrare i de viteza de deplasare a diagramei. La aparatele de gabarit mic (158 x 158 mm), viteza de deplasare a diagramei este de 20 mm/or; variaiile semnalului aplicat la intrare vor fi reproduse lizibil pe diagram, ct timp frecvena acestora nu depete 0,02Hz. Aparatele de gabarit mare sunt prevzute cu posibilitatea alegerii vitezei de deplasare a diagramei (3 trepte de vitez, prin roi de schimb: 20, 60 i 120 mm/or); acestea permit nregistrarea lizibil a semnalelor de intrare a cror variaie nu depete 0,02Hz, pentru viteza diagramei de 20 mm/or i respectiv 0,12Hz pentru viteza de 120 mm/or. n cazul depirii limitelor de frecven indicate mai sus, inscripionarea devine o band a crei lime indic amplitudinea variaiei semnalelor de intrare. VI. Domeniul de msurare: Aparatele din aceast serie se execut ntr-o gam larg de domenii de msurare tipizate. Alegerea domeniului de msurare trebuie fcut din cadrul gamei tipizate, care acoper cele mai diverse situaii ntlnite n practica automatizrilor, fiind corelate i cu posibilitile oferite de detectoarele i traductoarele care furnizeaz semnale de intrare.

210

VII. Furnizarea de semnal de ieire: Toate tipurile de aparate din aceast serie pot fi echipate cu dispozitive suplimentare capabile s furnizeze semnale de ieire, destinate altor organe sau dispozitive de protecie, de semnalizare i de alarmare; ne referim la funciile suplimentare. Exist posibilitatea echiprii aparatelor cu mai multe funciuni suplimentare. Seria nou de aparate benificiaz de un bloc electronic echipat cu componente electronice moderne (circuite integrate) oferind o serie de avantaje pe linia fiabilitii, prin comparaie cu alte soluii folosite n trecut. Amplificatorul de eroare este echipat cu un circuit integrat cu performane nalte (amplificator operaional hibrid). Sursele de alimentare de referin, ca i etajul de comand pentru servomotor, sunt realizate cu semiconductoare cu siliciu i cu componente pasive de tip industrial. Acest ansamblu de msuri au adus totodat i mbuntirea sensibilitii, a fiabilitii i a comportamentului dinamic al aparatelor, avantaje importante pentru utilizatori, dar care n cazul unor condiii anormale de funcionare pot genera un rspuns instabil al aparatelor. VIII. Funcii auxiliare la indicatoare i nregistratoare: Indicatoarele sau nregistratoarele electronice pe lng funcia principal de a indica sau a nregistra unul sau mai multe semnale de intrare, pot fi prevzute cu o serie de funcii auxiliare. Aceste funcii constau n nchiderea sau deschiderea unor contacte, n deplasarea cursorului unei rezistene sau n deplasarea a dou cursoare, dintre care unul este fixat de operator prin poziionarea unui reper pe scala aparatului. Funciile auxiliare sunt executate de ctre mecanismul de antrenare a peniei, care n cursa sa modific starea unor contacte poziionate de ctre operator ntr-o anumit zon a scalei, sau schimb poziia cursorului unei rezistene electrice. Aparatele indicatoare - nregistratoare, pot avea urmtoarele funcii: 1. Funcia M1- semnalizare la depirea limitelor superioare, evideniat pe scal printr-un index. Comutarea are loc n momentul trecerii acului indicator prin dreptul acestui index. 2. Funcia M2- semnalizare la depirea limitelor inferioare, evideniat pe scal printr-un index. Comutarea are loc n momentul trecerii

211

acului indicator prin dreptul acestui index. 3. Funcia M3- semnalizare la depirea limitelor superioare i a limitei inferioare, adic aparatul conine ambele funciuni M1i M2. 4. Funcia K1- semnalizare la depirea limitelor superioare fr index evideniat pe scala aparatului. 5. Funcia K2- semnalizare la depirea limitelor inferioare fr index evideniat pe scala aparatului. 6. Funcia C - Transmiterea semnalului de eroare. Aparatul conine un circuit alimentat n c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieire un semnal proporional cu diferena dintre poziia acului indicator i poziia unui index al valorii de referin. 7. Funcia T - Transmiterea unui semnal proporional cu valoarea indicat. Aparatul conine un circuit alimentat n c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieire un semnal. 8. Funcia Ts - Transmiterea semnalului de referin. Aparatul conine un circuit alimentat n c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieire un semnal proporional cu poziia unui index pentru valoarea de referin. 9. Funcia B1 - semnalizare la ntreruperea circuitului de intrare de termocupluri. n cazul ntreruperii circuitului termocuplului, acul indicator se deplaseaz spre maximul scalei, unde acioneaz un ntreruptor pentru alarmare. 10. Funcia K3 - semnalizarea la depirea limitei inferioare i a celei superioare, fr indicarea limitelor. n construcia indicatoarelor - nregistratoarelor au mai fost folosite i alte funcii auxiliare, ca de exemplu: 11. Funcia I - transmiterea semnalului pentru comanda elementului totalizator de debit. Aparatul conine un circuit alimentat n c.c. din traductorul de debit. Se transmite un semnal proporional cu poziia acului indicator, semnalul este transmis elementului de nregistrare care l contorizeaz. Deoarece n prezent se produc aparate nregistratoare, cu afiarea numeric a valorii instantanee i cu contorizarea debitului, aceast funcie se folosete numai la aparatele din sistemul - line. 12. Funcia Q - transmiterea semnalului pentru corecia debitului n funcie de presiune. Se ntrebuiniaz n instalaiile de msurare a debitelor

212

de gaze, realiznd n combinaie cu aparatul ELX 240 din sistemul - line, compensarea variaiilor de temperatur i/sau de presiune. 13. Funcia R - extragerea rdcinii ptrate din semnalul de intrare. Circuitul de msurare este astfel realizat nct indicaia aparatului este proporional cu rdcina ptrat a semnalului de intrate. Se ntrebuineaz n cazul msurrii debitelor de fluid prin metoda presiunii difereniale. Precizia de indicare depinde de nivelul semnalului de intrare. 2.4.2 Chestiuni de studiat. - Identificarea construciei i funcionrii aparatelor indicatoare i nregistratoare aflate pe standurile existente n laborator. n acest scop se vor utiliza i datele existente n catalogul firmei productoare a aparatelor indicatoare i nregistratoare; - Studiul comportrii aparatelor indicatoare i nregistratoare de pe standurile existente n laborator. 2.4.3 Modul de lucru n laborator. 1. Se identific tipurile aparatelor indicatoare sau nregistratoare de pe standurile existente n laborator precum i schemele de legturi ale acestora n scopul realizrii variantelor de ncercare ale lor; 2. n scopul ncercrii aparatelor indicatoare sau nregistratoare, se utilizeaz aparatele existente pe standuri, aparate de msur tip MAVO-35 i eventual sursa de semnale unificate tip ELZ 101 i o cutie de rezistene decadice tip Rd 6.1. Bibliografie: 1. Bivolaru I., Montarea instalaiilor de automatizare. Vol. II, Ed. Tehnic,

Bucureti, 1978. 2. Niu C., Matlac I., Fetil C., Echipamente electronice de automatizare.

Ed. Tehnic, Bucureti, 1983.