182

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

1. Obiectul lucrării constă în studiul construcţiei şi funcţionării unor echipamente auxiliare folosite în buclele de reglare convenţionale pentru procese lente.

2. Echipamente auxiliare folosite în structura sistemelor automate convenţionale

În cadrul echipamentelor unificate de automatizare, pe lângă echipamentele unificate de bază - regulator, traductor, convertor - se folosesc o serie de echipamente auxiliare care conferă schemelor de automatizare o mai mare flexibilitate funcţională. Prin utilizarea unor asemenea echipamente auxiliare numărul proceselor ce pot fi deservite de echipamentele de automatizare unificate creşte considerabil. În categoria unor asemenea echipamente auxiliare pot fi încadrate: elemente de referinţă, limitatoare de semnal, convertoare tensiune -curent, elemente analogice de calcul, elemente de comandă manuală, indicatoare şi înregistratoare automate, integratoare specializate, elemente de substituire, elemente de separare galvanică, poziţionere electronice pentru comanda servomotoarelor elementelor de execuţie, 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 continuă din gama 0,4...2V în semnal unificat de curent continuu în gama 2...10 mA. A fost proiectat special pentru a permite cuplarea în aceeaşi buclă de reglare a echipamentelor unificate şi neunificate. Schema bloc a convertorului tensiune - curent ELX 120 este prezentată în figura 1.

183

Fig. 1 Schema bloc a convertorului tensiune-curent ELX 120 Convertorul tensiune -curent ELX 120 este alcătuit din următoarele patru blocuri componente: a) H 51 - sursă de curent stabilizat; b) H 22 - amplificator cu chopper; c) amplificator final (de putere); d) circuit de corecţie (reacție). a) Sursa de curent stabilizat H51 este prezentată în figura 2.

Fig. 2 Schema electrică a blocului H 51

Blocul H 51 conține un stabilizator de tensiune tip derivaţie cu diode Zener cu două trepte de stabilizare.

184

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

- tensiunea de alimentare: 23,5V - tensiunea stabilizată: 6V ± 0,1 % - rezistenţa de sarcină: 1200 ohmi - variaţia tensiunii de ieşire: ± 0,05 %. b) Blocul H22 este un amplificator de curent continuu. Amplificarea directă a semnalelor de curent continuu este dificilă din punct de vedere tehnic, motiv pentru care sunt utilizate amplificatoarele de curent continuu cu modulare -amplificare - demodulare. Aceste tipuri de amplificatoare, numite şi amplificatoare cu eşantionare sau amplificatoare cu chopper, cuprind următoarele părţi componente: modulator, amplificator, demodulator şi oscilator. - Modulatorul transformă semnalele de curent continuu în semnale proporţionale de curent alternativ de trecvenţă constantă. - Amplificatorul este de curent alternativ şi produce la ieşire un semnal, de asemenea, de curent alternativ, însă amplificat faţă de cel primit de la modulator. - Demodulatorul redresează semnalul primit de la amplificator transformându-l într-o mărime continuă (pulsatorie -filtrată) proporţională cu semnalul continuu aplicat iniţial. - Oscilatorul produce o tensiune de amplitudine şi frecvenţă constantă ( .cstf0 = ) care comandă sincron funcţionarea modulatorului şi demodulatorului. Amplificatorul de curent continuu, folosind modulator electronic, este prezentat în figura 3. Amplificatorul H22 are în componenţă un modulator şi un demodulator cu funcţionări similare având câte două tranzistoare, T1 şi T2 respectiv T3 şi T4, funcţionând în comutaţie (când tranzistorul are joncţiunea emitor - bază polarizată direct, el conduce, adică se comportă ca o rezistenţă nulă, deci ca un contact închis, iar când joncţiunea emitor -bază este polarizată invers tranzistorul este blocat, adică se comportă ca o rezistenţă infinită, deci ca un contact deschis), adică complet blocat sau complet deschis şi comandate sincron de un oscilator de frecvenţă constantă ( Hz500f0 = ).

185

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

Un amplificator de curent alternativ format din trei tranzistoare (T5, T6 şi T7) asigură procesul de amplificare a mărimii de intrare. Pentru explicarea funcţionării în ansamblu a amplificatorului se consideră că în momentul din care se începe amplificarea (t = 0) tensiunea

0U dată de oscilator este nulă ( 0U0 = ) şi începe să descrie o semiperioadă pozitivă, bornele polarizate ale transformatorului TA 3, de adaptare, a oscilatorului fiind e şi g (notate cu steluţă *). Variaţia în timp a tensiunilor din amplificatorul tip H22 sunt prezentate în fig. 4: a - tensiunea de intrare ( iU ); b - tensiunea oscilatorului ( 0U ); c - tensiunea de intrare eşantionată ( mU ); d - tensiunea modulată ( fU );

e - tensiunea de ieşire în semiperioadele pozitive ( 1eU 1); f - tensiunea de ieşire în semiperioadele negative ( 2eU ); g - tensiunea de ieşire filtrată ( eU ).

186

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

ms2s500

1f1T0

0 === , (1)

astfel că în figurile de mai sus (4.a – 4.g) scara timpului a fost divizată în câte o milisecundă pentru o semiperioadă.

187

Se consideră o tensiune de intrare în modulator iU de curent continuu (având polaritatea cu + pe emitorul lui 1T ), însă având o variaţie oarecare în timp (fig. 4.a). În semiperioadele pozitive ale tensiunii 0U (t = 0...1, 2...3, 4...5, ms) borna e a transformatorului TA3 este pozitivă faţă de borna f, ceea ce face ca: - tranzistorul 1T să se deschidă datorită polarizării directe a joncţiunii colector-bază (c1-b1); - tranzistorul 2T să se blocheze datorită polarizării inverse a joncţiunii (c2-b2). Tensiunea de intrare iU trece prin tranzistorul 1T (circuitul emitor-colector) atât timp cât 0U este pozitivă, ca şi cum în aceste semiperioade între e1 şi c1 s-a stabilit un contact electric. În semiperioadele negative ale tensiunii 0U (t = 1...2, 3...4, 5...6, ms) borna e este negativă faţă de borna f, ceea ce face ca tranzistorul 1T să se blocheze întrerupând circuitul de intrare, iar tranzistorul 2T să conducă. În acest mod transformatorul de adaptatre TA1 va primi la intrare o tensiune mU sub forma unor impulsuri dreptunghiulare (se consideră pentru simplificare că într-o semiperioadă de 1 ms tensiunea de intrare iU se menţine constantă) numai în semiperioadele când 1T conduce ( 0U > 0); în semiperioadele când 1T este blocat ( 0U <0) tensiunea mU = 0. Impulsurile de tensiune produse sunt de durată constantă (t = 1 ms) însă de amplitudine variabilă, proporţională cu valoarea tensiunii de intrare

iU . În semiperioadele negative când tranzistorul 1T nu conduce (este blocat), în schimb conduce tranzistorul 2T , acesta face ca primarului transformatorului TA1 să se închidă în scurtcircuit pe rezistenţa R, deci mU să fie zero. Acest lucru este necesar deoarece prin blocarea tranzistorului 1T tensiunea electromotoare de autoinducţie din primarul tranzistorului 1T ar avea ca efect: - crearea unei tensiuni remanente pe transformator ( mU ≠0), fapt care afectează amplificarea;

188

- producerea unei supratensiuni inverse pe joncţiunea colector-emitor a trazistorului 1T datorită energiei magnetice înmagazinate în transformatorul TA1, fapt care ar putea conduce la străpungerea tranzistorului respectiv. Transformatorul TA1 produce la ieşire o tensiune alternativă periodică însă deformată (nesinusoidală). Se demonstrează că o undă periodică nesinusoidală, cum este tensiunea mU , se poate descompune într-o sumă de componente sinusoidale (armonici) de frecvenţe 0f , 0f2 ,

0f3 ,...şi un termen constant 0mU , (descompunere în serie Fourier). Componenta continuă 0mU este eliminată fiind aplicată în primarul transformatorului TA1, iar cu ajutorul condensatorului fC (filtru) din secundarul transformatorului TA1 sunt eliminate şi armonicile superioare. Tensiunea fU obţinută la ieşirea modulatorului va fi o tensiune

alternativă sinusoidală de frecvenţă constantă ( Hz500f0 = ) însă modulată în amplitudine. Tensiunea fU este amplificată apoi în amplificatorul de curent alternativ tranzistorizat în trei etaje (T5, T6 şi T7) producând la ieşirea transformatorului de adaptare TA2 o tensiune dU proporţională cu fU :

fAd UKU = (2)

unde: AK este factorul de amplificare al amplificatorului de curent alternativ. Tensiunea dU are polaritatea din fig. 4.d, având acceaşi fază ca şi

fU şi fiind reprezentată prin aceeaşi diagramă însă folosind o scară de AK

ori mai mare decât fU . Tensiunea dU de la ieşirea amplificatorului de curent alternativ este aplicată demodulatorului ale cărui tranzistoare T3 şi T4 comandate de acelaşi oscilator funcţionează sincron cu tranzistoarele T1 şi respectiv T2. Astfel, în semiperioadele pozitive (t = 0...1, 2...3, 4....5, ms) borna g a transformatorului TA3 fiind pozitivă faţă de borna h, tranzistorul T3 conduce, iar tranzistorul T4 este blocat.

189

În consecinţă, tensiunea de ieşire Ue1 în aceste perioade va fi egală cu Ud (circuitul c(+) - 0 -R1- e3 - c3 - d(-)). În lipsa condensatorului de "netezire" C1 tensiunea Ue1 cuprinde pulsurile pozitive ale tensiunii Ue (fig.4.e). În semiperioadele negative tranzistorul T3 este blocat şi tranzistorul T4 conduce, iar tensiunea dU care şi-a schimbat polaritatea se aplică la ieşire sub forma tensiunii Ue2 însă de acelaşi sens cu Ue1 (circuitul d(+)- c4 - e4 -R2 - 0- c(-)). În acest caz se constată că pulsurile tensiunii Ue2 sunt pozitive. Tensiunea de ieşire eU este dată de suma celor două tensiuni:

2e1ee UUU += (3)

Datorită condensatoarelor de "netezire" C1 şi C2 tensiunea eU nu mai este formată din pulsuri, ci are o formă filtrată (fig.4.g) adică practic se obţine prin unirea vârfurilor pulsurilor componente. S-a obţinut aşadar o tensiune continuă eU de aceeaşi formă cu iU şi proporţională cu aceasta:

ie UKU ⋅= (4) unde: K este factorul total de amplificare. Dacă tensiunea de intrare iU se inversează ca polaritate (presupunând aceeaşi variaţie din fig.4.a) rezultă că pulsurile dreptunghiulare se vor inversa ca polaritate. În acest caz tensiunile fU şi respectiv dU ( id UkU ⋅= ) îşi vor

modifica faza cu 1800, ceea ce înseamnă că tensiunile 1eU şi 2eU , respectiv

eU ( 2e1ee UUU += ) îşi vor schimba polaritatea. În consecinţă amplificatorul descris este "sensibil la fază" (polaritate). c) Amplificatorul final este un amplificator de curent continuu asimetric, care furnizează la ieşire o variaţie de curent unificat în gama 2...10 mA, sau în gama 4...20 mA, pentru o variaţie a semnalului de la intrarea convertorului în gama 0,4...2 V c. c.

190

d) Circuitul de reacţie asigură o reacţie negativă puternică printr-un circuit de stabilizare a punctului de zero. 2.1.1. Chestiuni de studiat: - Identificarea construcţiei şi funcţionarii convertorului tensiune - curent ELX -120. - Studiul comportării staţionare şi dinamice a convertorului tensiune - curent ELX -120. 2.1.2. Studiul convertorului tensiune-curent ELX 120 Se realizează montajul din figura 5. Pentru simularea tensiunii de intrare se foloseşte sursa de curent constant ELZ -101 şi o rezistenţă decadică calibrată Rd.

Fig. 5 Montaj pentru studiul convertorului tensiune-curent ELX 120 Apoi se fixează cu rezistenţa decadică o valoare a rezistenţei de 200 Ω care se va alimenta cu un curent variabil, în limitele 2...10 mA de la sursa de curent ELZ -101. Pe rezistenţă decadică Rd va rezulta o variaţie de tensiune dorită în gama 0,4...2V c.c., măsurabilă şi cu un voltmetru de tip MAVO-35. Ieşirea convertorului se conectează pe un ampermetru tip MAVO-35. Punerea sub tensiune a montajului se va realiza numai după ce vor fi realizate toate conexiunile. Se fixează cu ajutorul sursei ELZ-101 un curent de 10 mA (deci

191

semnal de intrare de 2V c.c.) şi se reglează potenţiometrul marcat prin "AMPLIF" din convertor până ce la ieşire rezultă 10 mA ±0,02 mA. Se aplică apoi, la intrarea convertorului, tensiuni corespunzătoare punctelor de 0%, 25%, 50%, 75% şi 100% din plaja de variaţie menţionată, prin modificarea corespunzătoare a curentului de intrare, şi se citesc valorile corespunzătoare ale curentului de ieşire. Datele se trec în tabelul următor:

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

Pe baza datelor obţinute se reprezintă caracteristica statică I = f(U). 2.2. Bloc de referinţă cu motor - BRM Blocul de referință cu motor BRM face parte din categoria aparatelor secundare de panou, fiind folosit în scopul fixării de la distanţă a mărimii de referinţă sau convertirii semnalelor discontinue de ieşire ale unui regulator tripozițional tip ELC 132, cu lege de reglare PID, în semnale unificate de tensiune sau curent. Aparatul se compune dintr-o carcasă metalică, paralelipipedică cu o uşă transparentă. Carcasa este prevăzută cu un compartiment de borne pentru conexiuni. În interiorul carcasei se găseşte ansamblul funcţional realizat în construcţie glisantă, prevăzut cu conductoare de legătură. Ansamblul funcţional constă dintr-o parte electromecanică şi o parte electronică. Produsul se compune din următoarele grupuri funcţionale prezentate în figura 6: - bloc de alimentare şi comandă; - bloc servomotor; - bloc convertor tensiune-curent (la cerere). Schema realizată funcţionează pe baza inversării sensului de rotire a unui servomotor bifazat. Corespunzător comenzii primite la intrare, înfăşurarea de comandă a servomotorului este alimentată cu o tensiune defazată cu ± 900 faţă de alimentarea înfăşurării sale de excitaţie. Servomotorul rotindu-se antrenează cursorul reocordului alimentat la o tensiune stabilizată.

192

Fig. 6 Schema electrică a blocului de referinţă cu motor BRM

Între cursor şi un capăt al reocordului se culege semnalul de referinţă în tensiune. Pentru varianta semnalului de referinţă în curent, în blocul de referinţă cu motor BRM se introduce un bloc convertor tensiune-curent. Aparatul este prevăzut cu contacte de limită de cursă pentru protecţia servomecanismului. 2.2.1. Chestiuni de studiat: - Identificarea construcţiei şi funcţionarii blocului de referinţă cu motor BRM. - Studiul comportării staţionare şi dinamice a blocului de referinţă cu motor BRM. 2.2.2. Studiul blocului de referinţă cu motor BRM Se realizează montajul din figura 7. Se determină caracteristica statică xe= f (xi) a blocului de referinţă cu motor BRM.

193

Fig. 7 Montaj pentru încercarea blocului de referinţă cu motor BRM Mărimea de ieşire xe a blocului de referinţă cu motor BRM se modifică în sens crescător închizând butonul B1 şi în sens descrescător închizând butonul B2. 2.3 Elemente analogice de calcul 2.3.1 Descrierea necesităţii, construcţiei şi funcţionării În sistemele de reglare automată este necesar să se utilizeze elemente analogice de calcul, care să efectueze o serie de operaţii algebrice elementare (adunare, scăderea, înmulţirea, împărţirea unor semnale) sau funcţiuni relativ mai complexe (rădăcină pătrată, integratoare numerice etc.). Schema bloc generală a unui element de calcul include trei etaje: etajul de intrare, etajul de calcul şi etajul de ieşire. Introducerea unui etaj de intrare este necesară pentru depolarizarea semnalelor de intrare (adică pentru trecerea de la semnal unificat cu zero fals la semnal cu zero real), pentru realizarea adaptării de impedanţă şi pentru aducerea semnalelor de intrare în gama de valori necesară etajului de calcul. Etajul de calcul serveşte pentru efectuarea operaţiilor de calcul care formează funcţia principală a elementului analogic de calcul, folosind diverşi algoritmi de calcul. Etajul de ieşire are rolul de a repolariza semnalul analogic (adică să se treacă de la semnal cu zero real la semnal cu zero fals), de a asigura puterea necesară semnalului de ieşire, de a converti semnalul de la ieşirea etajului de calcul într-un semnal unificat de curent sau tensiune, asigurând o anumită gamă de variaţie a semnalului de ieşire, sau într-un semnal discret

194

pentru afişare numerică. Realizarea operaţiilor de calcul prin metode analogice are la bază utilizarea unor circuite integrate clasice (ca de exemplu amplificatoare operaţionale), a unor circuite integrate monolitice ce asigură o precizie ridicată de calcul. Generaţia precedentă a circuitelor analogice de calcul, fabricate în ţară se bazau pe utilizarea amplificatoarelor cu tranzistoare pe principiul modulare-amplificare în curent alternativ-demodulare. Aceste elemente analogice de calcul asigurau precizia impusă (clasa de precizie 0,5), dar utilizând un număr mare de componente pasive şi active, nu prezentau o fiabilitate ridicată. Dintre caracteristicile elementelor de calcul remarcăm aici două: - precizia - respectiv abaterea mărimii de ieşire de la valoarea exactă; - viteza de calcul - respectiv timpul necesar obţinerii rezultatelor calculelor, din momentul aplicării semnalului de intrare, ambele influienţând în mod hotărâtor performanţele buclelor de reglare. 2.3.2. Elemente analogice de calcul pentru efectuarea operaţiei de adunare - scădere Efectuarea operaţiei de adunare - scădere a unor semnale analogice are la bază utilizarea unui amplificator operaţional, integrat în regim de sumator (figura 8), unde pentru simplificare s-au considerat două semnale aplicate prin rezistenţe la intrarea inversoare şi două semnale la intrarea neinversoare.

Fig. 8 Amplificator operţional în regim de sumator

195

Dacă pentru punctul de însumare cu inversare se aplică prima lege a lui Kirchhoff, se obţine:

4R3U0UeU

12R3U0U12U

11R3U0U11U −−

=−−

+−−

(5) Considerând că amplificatorul operaţional are o rezistenţă de mod comun foarte mare în raport cu rezistenţa R3, se poate scrie în mod identic:

3

3

22

322

21

321RU

RUU

RUU

=−

+−

(6)

sau după unele transformări se obţine:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=+

222133

22

22

21

21R1

R1

R1U

RU

RU

(7)

de unde rezultă că:

)22R1

21R1

3R1(:)

22R22U

21R21U

(3U +++= (8)

Un amplificator operaţional are la o ieşire o tensiune proporţională cu tensiunea U0 adică Ue = -A*U0, unde A este factorul de amplificare, iar semnul minus se datorează numărului impar de etaje de amplificare. În acest caz relaţia (5) devine:

4

e

412113U

A4R

1

12R

1

11R

1

AeU

12R12U

11R11U

RU

R1

R1

R1

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛++++

(9) și înlocuind (8) în (9) se obţine

196

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−=

++

++

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+

A4R1

12R1

11R1

A1

4R1

eU

22R1

21R1

3R1

4R1

12R1

11R1

22R22U

21R21U

12R12U

11R11U

(10)

Tensiunea de ieşire este:

AR1

R1

R1

A1

R1

U

412114

22R1

21R1

3R1

4R1

12R1

11R1

22R22U

21R21U

12R12U

11R11U

e

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++×+

=⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

++

++

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+

(11)

Deoarece amplificatoarele operaţionale au un factor de amplificare foarte mare, adică A>>1, termenul al doilea de la numitor se poate neglija. Considerând R3=R4 şi rezistenţele de intrare egale, adică

122211211 RRRRR ==== , atunci se simplifică fracţia din termenul al doilea de la numărător din relaţia (11) şi se obţine:

( )222112111

4e UUUU

RRU −−+−=

(12)

Deci cu ajutorul schemei analizate se poate scădea suma tensiunilor aplicate pe rezistenţele de la intrarea neinversoare din suma tensiunilor aplicate pe rezistenţe la intrarea inversoare a amplificatorului operaţional. Din deducerea relaţiei (12) rezultă că un element analogic de calcul pentru adunarea -scăderea unor semnale sub formă de tensiuni c.c., realizat după schema din fig. 8, este caracterizat de o serie de erori. Astfel datorită neglijării unor termeni în relaţia de calcul (considerând A >>1, ceea ce este justificat la amplificatoare operaţionale integrate care au A> 60000) şi datorită rezistenţei de mod comun insuficient de mari (Rcm >50 MΩ la aceleaşi amplificatoare), alegând R4 <2 MΩ se obţine o limitare a erorii de maxim 0,1 %.

197

În figura 9 este reprezentată schema simplificată a elementului analogic de adunare -scădere ELX 212. Relaţia de calcul a acestui element este:

( ) ( ) ( ) ( ) 44SK4ZK4YK4XKW 431211 +−+−+−+−= (13)

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

Fig. 9 Schema electrică a elementului pentru adunare - scădere ELX 212

În fig. 9, s-a desenat numai un etaj de intrare pentru semnalul X. După cum se observă etajul de intrare cuprinde amplificatorul A1 (pentru depolarizare), amplificatorul A3 (pentru adaptare de impedanţă) şi o rezistenţă variabilă pentru fixarea coeficentului K1, care este reglabil manual. Etajul de calcul este format din amplificatorul A4 cu câte 4 intrări inversoare şi neinversoare. Etajul de ieşire este un modul tipizat format din amplificatorul A5 şi convertorul tensiune - curent alcătuit din tranzistoarele T6, T7, T8. Pentru fiecare semnal de intrare se poate alege semnul prin conectarea ieşirii etajului de intrare la borna inversoare sau neinversoare a etajului de calcul.

198

2.3.3. Elemente analogice de înmulţire, împărţire, înmulţire -împărţire şi extragere a rădăcinii pătrate Pentru realizarea operaţiunii de multiplicare a două semnale analogice se pot folosi mai multe metode: 1. Multiplicatoare bazate pe utilizarea efectului Hall. Acestea s-au fabricat în serie până la apariţia circuitelor integrate pe scară largă. 2. Multiplicatoare bazate pe utilizarea relaţiei:

[ ]22 )yx()yx(41yx −−+=⋅ (14)

Această metodă de multiplicare a două semnale analogice s-a folosit la calculatoarele analogice, când amplificatoarele operaţionale erau construite utilizând componente discrete active şi pasive. 3. Multiplicatoare analogice bazate pe variaţia transconductanţei. Acest tip de multiplicatoare şi-a extins aria de utilizare în special odată cu apariţia circuitelor integrate pe scară largă, când pentru înlăturarea unor surse de erori s-au putut folosi metode deosebit de eficiente. La multiplicatoarele cu transconductanţă un semnal determină varierea factorului de multiplicare, iar celălalt semnal se aplică la intrarea amplificatorului. Varianta constructivă a multiplicatoarelor cu transconductanţă, realizate cu circuite integrate monolitice, permite obţinerea unei precizii ridicate (sub 0,5%) şi o bandă de trecere de minimum 1MHz, ceea ce acoperă gamele de frecvenţă ale semnalelor atât în cazul reglării proceselor lente, cât şi a proceselor rapide. Schema unui multiplicator cu transconductanţă este prezentată în figura 10. Pornind de la relaţia care descrie dependenţa curent - tensiune a unei joncţiuni în conducţie, având în vedere simetria etajului de amplificare diferenţială, în cazul când tensiunea aplicată la intrarea Ux este mult mai mică decât căderea de tensiune pe rezistenţa proprie a joncţiunii bază -emitor (adică Ux <<Ube), se poate demonstra că xe USU ⋅= , unde Ue este tensiunea de ieşire, iar S transconductanţa tranzistorului.

199

Fig. 10 Multiplicator cu transconductanţă Pentru varierea transconductanţei se schimbă valoarea curentului de emitor Ie, folosind un circuit care realizează dependenţa ye UKI ⋅= . În aceste condiţii, relaţia care defineşte dependenţa tensiunii de ieşire de cele două tensiuni de intrare xU , yU , devine yxme UUKU = ,

unde, mK este coeficientul de transfer al multiplicatorului, care însă este dependent de temperatura joncţiunii. Pentru evitarea unor erori datorită neliniarităţii caracteristicii baza -emitor pe porţiunea iniţială, adică pentru valori mici ale curentului de emitor, se introduce o tensiune de polarizare a joncţiunii, ceea ce determină însă apariţia unui nou termen. Astfel tensiunea de ieşire se defineşte prin relaţia:

xmyxme UKUUKU += (15) Pentru compensarea termenului al doilea, la etajul de amplificare care urmează după etajul de multiplicare se scade tensiunea Ux, multiplicată cu un coeficient. Pentru micşorarea surselor de erori, datorită variaţiei temperaturii s-a folosit o nouă tehnologie de realizare a etajului diferenţial de amplificare. Astfel tehnologiile de obţinere a circuitelor integrate, permit realizarea etajului diferenţial pe acelaşi substrat cu un regulator automat al temperaturii structurii.

200

O altă soluţie de compensare a influenţei variaţiei temperaturii constă în realizarea unor scheme mai complexe, utilizând amplificatoare diferenţiale cu scheme de compensare, realizate tot sub forma unui circuit integrat monolitic, care include şi un amplificator operaţiunal sumator care converteşte tensiunea de ieşire Ue într-o ieşire asimetrică. a. Elementul analogic de înmulţire ELX 232-1. Pentru realizarea elementului analogic de înmulţire a două semnale ELX 232-1 se foloseşte principiul bazat pe variaţia transconductanţei. Relaţia de calcul, care defineşte dependenţa semnalului de ieşire W, funcţie de cele două semnale analogice de intrare X şi Y este:

( ) ( )0010 YY XXKKWW −−+= (16) unde: X şi Y sunt semnale unificate de tensiune, X0, Y0, W0 sunt semnale de zero real, care pot fi şi nule; K1 este un coeficient de extindere a gamei, fix sau variabil în domeniul 1...2, iar K un coeficent pentru încadrarea în gama de variaţie a semnalelor. În cazul utilizării unor semnale unificate de intrare în curent, acestea sunt transformate pe o rezistenţă de precizie în semnale unificate de tensiune 0...5 V sau 1...5 V, în funcţie de prezenţa sau nu a zeroului fals. Caracteristicile tehnice principale ale elementului de multiplicare a două semnale analogice sunt: impedanţa de intrare pentru semnale în tensiune mai mare decât 1 MΩ; precizia de efectuare a operaţiei de calcul ± 0,3 %; eroarea maximă cu temperatura ± 3 % /100 C.

b. Elementul analogic de împărţire a două semnale ELX 232-2. Folosind elementul de înmulţire se poate realiza o schemă pentru împărţirea a două semnale analogice, prezentată în figura 11. Scriind ecuaţia curenţilor în punctul de însumare se obţine:

2

mzem

1

xR

UUUKRU Δ±−

= (17)

201

unde mUΔ este eroarea de calcul a elementului de multiplicare, iar R1, R2 sunt rezistenţa de intrare, respectiv rezistenţa din circuitul de reacţie.

Fig. 11 Element de împărţire a două semnale Din această relaţie se obţine tensiunea de ieşire:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

z

m

1m

2x

me U

URKRU

K1U Δ (18)

de unde rezultă că eroarea de calcul este dependentă de mărimea semnalului de intrare Uz. Din acest motiv precizia unui element de împărţire se defineşte pe domenii de variaţie a tensiunii "împărţitoare", nefiind mai mică de 10%. Relaţia de calcul a elementului ELX 232-2 pentru împărţirea a două semnale analogice este:

( )02

00 YYK

XXKWW−

−+= (19)

unde: X şi Z sunt semnale unificate de intrare, K este un coeficient pentru încadrarea în gamă, iar K2 este un coeficient variabil între 1 şi 2. Realizarea operaţiei de împărţire a două semnale analogice prin utilizarea unui element de multiplicare în circuitul de reactie al unui amplificator operaţional crează posibilităţi mari de tipizare a modulelor. După cum s-a arătat precizia operaţiei de calcul depinde de gama de variaţie a tensiunii „împărţitoare”, erorile fiind prezentate în tabelul 1.

202

Tabelul 1 Erori ale elementului analogic de împărțire

Gama tensiunii Uz Precizia operaţiei de calcul

Eroarea maximă cu temperatura % /100C

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

± 0,5 % ± 1,0 %

± 0,5 % ± 1,0

c. Elementul analogic pentru înmulţire- împărţire ELX 232-3. În vederea obţinerii unui element analogic de calcul pentru înmulţire- împărţire a unor semnale analogice se folosesc două elemente de înmulţire, interconectate, folosind şi amplificatoare operaţionale auxiliare. Relaţia de calcul a elementului analogic de calcul pentru înmulţire- împărţire ELX 232-3 este:

( )( )( )02

0010 ZZK

YYXXKKWW−

−−+= (20)

unde: X, Y, Z sunt semnalele de intrare; X0, Y0, Z0 sunt semnalele de zero fals; coeficienţii K1, K2 sunt constante variabile; iar K un coeficient de gamă. Elementul ELX 232-3 are schema bloc asemănătoare funcţional cu elementul de compensare ELX 242, existând diferenţe în modul de fixare a unor coeficienţi. d. Elementul de compensare ELX 242. Compensatorul de temperatură şi umiditate ELX 242, este un aparat industrial din categoria elementelor secundare (figura 12). Se cunoaşte că debitmetrul de presiune diferenţială este astfel proiectat încât să satisfacă precizia impusă, numai în anumite condiţii de temperatură şi umiditate. Atunci când se schimbă caracteristicile gazului de măsurat ca: presiunea, temperatura şi umiditatea, nu se mai măsoară valoarea reală a debitului, decât dacă se realizează compensări pentru aceste schimbări, care se pot realiza prin corectarea valorilor măsurate.

203

Fig. 12 Elementul de compensare ELX 242 Această corectare se poate face automat, atunci când compensarea se face prin schimbarea directă a semnalului de curent de ieşire. Astfel un traductor are definită caracteristica statică: curent de ieşire 4...20 mA funcţie de debit pentru o anumită temperatură a lichidului şi pentru anumite valori ale presiunii statice şi ale umidităţii. Relaţia de calcul a elementului de compensare ELX 242 este:

( )bpbp

atatXXWW

0

000 +

+++

−+= (21)

unde: W0 este valoarea iniţială a semnalului de ieşire, X este valoarea semnalului care trebuie compensat, t - temperatura fluidului. p - presiunea fluidului; t0 şi p0 sunt valori iniţiale ale mărimilor menţionate, iar a şi b sunt nişte constante. Pentru realizarea compensării automate şi în raport cu variaţia umidităţii mai este necesară introducerea încă a unui factor. După cum se observă din relaţia de calcul (21), pentru compensarea automată a măsurării debitului în raport cu temperatura şi presiunea este necesară efectuarea unor operaţii de înmulţire şi de împărţire. Schema bloc simplificată a compensatorului automat ELX 242 este prezentată în figura 12, unde s-au considerat toate semnalele de tensiune cu zero real. Din structura elementului de compensare rezultă că semnalul U de intrare este:

TWU = (22)

204

iar în condiţii idealizate considerând rezistenţele R1 = R2 = R are loc relaţia:

XPTW = (23) care aproximează relaţia de calcul necesară. Utilizând circuite integrate monolitice, cu compensarea automată a influienţei variaţiei temperaturii mediului, se obţine un element analogic de calcul de precizie ridicată. e. Element de extragere a rădăcinii pătrate ELX 222. Elementele de extragere a rădăcinii pătrate dintr-un semnal analogic sunt cele mai utilizate elemente de calcul în instalaţiile de automatizare a proceselor lente, deoarece acestea se folosesc la măsurarea debitelor prin metoda presiunii diferenţiale. Schema de principiu a elementului de extragere a rădăcinii pătrate dintr-un semnal analogic este prezentată în figura 13.

Fig. 13 Element de extragere a rădăcinii pătrate ELX 222 Se observă că spre deosebire de elementul anlogic de împărţire, ambele intrări ale elementului de multiplicare sunt conectate la tensiunea de ieşire a amplificatorului operaţional. Ecuaţia punctului de însumare este:

2

m2em

1

xR

UUKRU ±−

= (24)

de unde, pentru R1= R2,rezultă:

205

x

m

m

xe U

U1KUU +−= (25)

Prin urmare eroarea de calcul este dependentă de mărimea semnalului de intrare, dar elementul de multiplicare fiind în cir-cuitul de reacţie negativă se poate demonstra că extractorul de radical are o precizie relativ bună în funcţionare, încadrându-se în clasa de precizie 0,5%. 2.3.4 Integratorul electronic specializat ELI 1122 Integratorul electronic ELI 1122 este destinal utilizării în instalaţiile industriale de automatizare, în cazul în care este necesară contorizarea debitelor. Integratorul ELI face parte din categoria elementelor secundare de automatizare din cadrul sistemului electronic unificat de reglare şi se utilizează în instalaţiile de reglare automată a proceselor tehnologice lent variabile în timp. Primind la intrare un semnal electric unificat, proporţional cu valoarea debitului, furnizat de traductoarele de debit (debitmetre electromagnetice) aparatul ELI afişează valoarea cantităţii de fluid care parcurge instalaţia. Pentru cazul măsurării debitului prin metoda presiunii diferenţiale, respectiv prin utilizarea de traductoare de presiune diferenţială este asigurată o variantă care efectuează extragerea rădăcinii pătrate, concomitent cu contorizarea. Caracteristici: - construcţie simplă şi robustă, aplicabilitate largă, fiabilitate ridicată, design şi concept modern, precizie înaltă. Specificaţii tehnice: - semnalul de intrare unificat în curent sau tensiune c.c.: 4 -20mA; 2 -10mA; 0 -5mA; 1 -5V - viteza de integrare: ( număr unităţi/oră 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 construcţiei şi funcţionării elementelor analogice de calcul de pe standul existent în laborator; - Studiul comportării staţionare a elementelor analogice de calcul de pe standul existent în laborator. 2.3.6 Modul de lucru în laborator. 1. Se vor explica schemele din figurile 8 - 13; 2. Se identifică elementele analogice de calcul şi bornele acestora de pe standul din laborator; 3. În scopul încercării elementelor analogice de calcul, se utilizează aparatele existente pe stand, aparate de măsură tip MAVO-35 şi eventual surse de semnale unificate tip ELZ 101. 2.4 Indicatoare şi înregistratoare automate. 2.4.1 Descrierea construcţiei şi funcţionării. Indicatoarele şi înregistratoarele realizate într-un număr important de tipovariante oferă posibilitatea de afişare şi respectiv înregistrarea continuă a valorilor instantanee a unor parametri de proces. Această grupă de aparate este destinată în principal semnalelor din instalaţiile de automatizare a proceselor lente. Aceste aparate permit soluţionarea celor mai diferite cazuri în care se cere vizualizarea valorilor şi a variaţiilor parametrilor din proces. O particularitate importantă a acestor aparate este aceea de a putea realiza o serie de funcţiuni suplimentare, concomitent cu măsurarea şi înregistrarea fără a afecta precizia acestora. Se obţin astfel însemnate economii în costul echipamentelor de automatizare, adoptarea unor funcţiuni suplimentare permiţând reducerea numărului aparatelor din bucla de reglare. Pe de altă parte, precizia ridicată a acestor aparate este justificată tocmai prin existenţa funcţiunilor suplimentatre. Aparatele indicatoare şi înregistratoare se împart în două categorii: - aparate pentru măsurarea semnalelor electrice de c.c. neunificate;

207

- aparate pentru măsurarea semnalelor electrice de c.c.unificate. În ambele cazuri funcţionarea aparatelor se bazează pe principiul compensării automate. În figura 14, care prezintă schema de principiu a aparatelor indicatoare şi înregistratoare, sunt incluse următoarele părţi componente: amplificator de eroare (1), servomotor (2), mecanism de transformare a mişcării (3), reocord (potenţiometru calibrat) (4), scală indicatoare (5) şi sursă de curent constant (6).

Fig. 14 Schema de principiu a aparatelor indicatoare şi înregistratoare

Aparatele destinate măsurării semnalelor neunificate (tensiuni c.c. sau rezistenţe variabile), compară semnalul de intrare cu un semnal intern (tensiune c.c sau rezistenţă), a cărui valoare depinde de poziţia acului indicator; în cazul semnalelor de tensiune comparaţia se face prin metoda potenţiometrică, iar în cel al semnalelor în rezistenţă comparaţia se face cu ajutorul unei punţi Wheastone. În cazul existenţei unei diferenţe între cele două semnale comparate rezultă un semnal de eroare care este aplicat unui amplificator de c.c. cu circuite integrate.

208

Semnalul de ieşire al amplificatorului este apoi aplicat unui etaj de comandă, care acţionează un servomotor electric, prin intermediul căruia acul indicator este pus în mişcare şi adus în poziţia în care semnalul de eroare se anulează moment în care acul indicator arată valoarea semnalului aplicat la intrarea aparatului. Aparatele destinate măsurării semnalelor unificate folosesc tot schema potenţiometrică descrisă anterior; în cazul semnalelor unificate în curent acestea sunt aplicate unei rezistenţe precis calibrate - a cărei valoare depinde de tipul semnalului unificat - căderea de tensiune apărută pe capetele rezistenţei reprezentând semnalul în tensiune aplicat schemei de comparare. Obţinerea unei bune eficienţe prin utilizarea unui aparat indicator sau înregistrator depinde în primul rând de o corectă alegere a tipo-variantei acestuia. Cunoscând că această serie de aparate este destinată instalaţiilor de automatizare a proceselor lente, în care purtătorul informaţiei este un semnal electric analogic (curent sau tensiune c.c.), de tip unificat sau neunificat, alegerea tipo-variantei necesare unei anumite aplicaţii trebuie făcută ţinându-se seama de următoarele criterii: I. Semnalul de intrare: - pentru semnalele unificate : aparate din seria ELR; - pentru semnalele neunificate : aparate din seria E. II. Domeniul de măsurare: - în semnalul unificat: seria ELR acoperă toate semnalele unificate de c.c. uzuale; - în semnalul neunificat: seria E este dezvoltată pe 3 variante principale şi anume: - varianta E 0xxx: pentru semnalul de la termocupluri, - varianta E 1xxx: pentru semnalul de la termorezistenţe, - varianta E 5xxx: pentru semnalul de la sursa de mV c.c. III. Precizia de măsurare: Aparatele de gabarit mic din seriile E şi ELR, se încadrează în clasa de precizie 0,4. Cele de gabarit mare, din seriile E şi ELR, se încadrează în clasa de precizie 0,25.

209

IV. Afişarea informaţiei: Aparatele indicatoare (seriile E 12 şi ELR 12) afişează continuu valoarea semnalului de intrare. Aparatele înregistratoare au diverse posibilităţi de afişare şi anume: - afişarea şi înregistrarea continuă a semnalului de intrare (tipurile Ex352, Ex362, ELR 352 şi ELR 362), - afişarea şi înregistrarea continuă a două semnale de intrare diferite (tipurile Ex462, ELR 452 şi ELR 462). - afişarea şi înregistrarea discontinuă (succesivă) a 2...12 semnale de intrare diferite (tipurile Ex362A şi ELR 362A). V. Variaţia semnalului de intrare: La aparatele înregistratoare cu afişare continuă, variaţiile lente ale semnalului aplicat la intrare sunt inscripţionate sub forma unei linii fine, clare, permiţând o bună urmărire a parametrului măsurat; lizibilitatea este o funcţie depinzând de frecvenţa variaţiei semnalului de intrare şi de viteza de deplasare a diagramei. La aparatele de gabarit mic (158 x 158 mm), viteza de deplasare a diagramei este de 20 mm/oră; variaţiile semnalului aplicat la intrare vor fi reproduse lizibil pe diagramă, cât timp frecvenţa acestora nu depăşeşte 0,02Hz. Aparatele de gabarit mare sunt prevăzute cu posibilitatea alegerii vitezei de deplasare a diagramei (3 trepte de viteză, prin roţi de schimb: 20, 60 şi 120 mm/oră); acestea permit înregistrarea lizibilă a semnalelor de intrare a căror variaţie nu depăşeşte 0,02Hz, pentru viteza diagramei de 20 mm/oră şi respectiv 0,12Hz pentru viteza de 120 mm/oră. În cazul depăşirii limitelor de frecvenţă indicate mai sus, inscripţionarea devine o bandă a cărei lăţime indică amplitudinea variaţiei semnalelor de intrare. VI. Domeniul de măsurare: Aparatele din această serie se execută într-o gamă largă de domenii de măsurare tipizate. Alegerea domeniului de măsurare trebuie făcută din cadrul gamei tipizate, care acoperă cele mai diverse situaţii întâlnite în practica automatizărilor, fiind corelate şi cu posibilităţile oferite de detectoarele şi traductoarele care furnizează semnale de intrare.

210

VII. Furnizarea de semnal de ieşire: Toate tipurile de aparate din această serie pot fi echipate cu dispozitive suplimentare capabile să furnizeze semnale de ieşire, destinate altor organe sau dispozitive de protecţie, de semnalizare şi de alarmare; ne referim la funcţiile suplimentare. Există posibilitatea echipării aparatelor cu mai multe funcţiuni suplimentare. Seria nouă de aparate benificiază de un bloc electronic echipat cu componente electronice moderne (circuite integrate) oferind o serie de avantaje pe linia fiabilităţii, prin comparaţie cu alte soluţii folosite în trecut. Amplificatorul de eroare este echipat cu un circuit integrat cu performanţe înalte (amplificator operaţional hibrid). Sursele de alimentare de referinţă, ca şi etajul de comandă pentru servomotor, sunt realizate cu semiconductoare cu siliciu şi cu componente pasive de tip industrial. Acest ansamblu de măsuri au adus totodată şi îmbunătăţirea sensibilităţii, a fiabilităţii şi a comportamentului dinamic al aparatelor, avantaje importante pentru utilizatori, dar care în cazul unor condiţii anormale de funcţionare pot genera un răspuns instabil al aparatelor. VIII. Funcţii auxiliare la indicatoare şi înregistratoare: Indicatoarele sau înregistratoarele electronice pe lîngă funcţia principală de a indica sau a înregistra unul sau mai multe semnale de intrare, pot fi prevăzute cu o serie de funcţii auxiliare. Aceste funcţii constau în închiderea sau deschiderea unor contacte, în deplasarea cursorului unei rezistenţe sau în deplasarea a două cursoare, dintre care unul este fixat de operator prin poziţionarea unui reper pe scala aparatului. Funcţiile auxiliare sunt executate de către mecanismul de antrenare a peniţei, care în cursa sa modifică starea unor contacte poziţionate de către operator într-o anumită zonă a scalei, sau schimbă poziţia cursorului unei rezistenţe electrice. Aparatele indicatoare - înregistratoare, pot avea următoarele funcţii: 1. Funcţia M1- semnalizare la depăşirea limitelor superioare, evidenţiată pe scală printr-un index. Comutarea are loc în momentul trecerii acului indicator prin dreptul acestui index. 2. Funcţia M2- semnalizare la depăşirea limitelor inferioare, evidenţiată pe scală printr-un index. Comutarea are loc în momentul trecerii

211

acului indicator prin dreptul acestui index. 3. Funcţia M3- semnalizare la depăşirea limitelor superioare şi a limitei inferioare, adică aparatul conţine ambele funcţiuni M1şi M2. 4. Funcţia K1- semnalizare la depăşirea limitelor superioare fără index evidenţiat pe scala aparatului. 5. Funcţia K2- semnalizare la depăşirea limitelor inferioare fără index evidenţiat pe scala aparatului. 6. Funcţia C - Transmiterea semnalului de eroare. Aparatul conţine un circuit alimentat în c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieşire un semnal proporţional cu diferenţa dintre poziţia acului indicator şi poziţia unui index al valorii de referinţă. 7. Funcţia T - Transmiterea unui semnal proporţional cu valoarea indicată. Aparatul conţine un circuit alimentat în c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieşire un semnal. 8. Funcţia Ts - Transmiterea semnalului de referinţă. Aparatul conţine un circuit alimentat în c.c. din aparatul receptor. Se transmite la ieşire un semnal proporţional cu poziţia unui index pentru valoarea de referinţă. 9. Funcţia B1 - semnalizare la întreruperea circuitului de intrare de termocupluri. În cazul întreruperii circuitului termocuplului, acul indicator se deplasează spre maximul scalei, unde acţionează un întrerupător pentru alarmare. 10. Funcţia K3 - semnalizarea la depăşirea limitei inferioare şi a celei superioare, fără indicarea limitelor. În construcţia indicatoarelor - înregistratoarelor au mai fost folosite şi alte funcţii auxiliare, ca de exemplu: 11. Funcţia I - transmiterea semnalului pentru comanda elementului totalizator de debit. Aparatul conţine un circuit alimentat în c.c. din traductorul de debit. Se transmite un semnal proporţional cu poziţia acului indicator, semnalul este transmis elementului de înregistrare care îl contorizează. Deoarece în prezent se produc aparate înregistratoare, cu afişarea numerică a valorii instantanee şi cu contorizarea debitului, această funcţie se foloseşte numai la aparatele din sistemul ε - line. 12. Funcţia Q - transmiterea semnalului pentru corecţia debitului în funcţie de presiune. Se întrebuinţiază în instalaţiile de măsurare a debitelor

212

de gaze, realizând în combinaţie cu aparatul ELX 240 din sistemul ε - line, compensarea variaţiilor de temperatură şi/sau de presiune. 13. Funcţia R - extragerea rădăcinii pătrate din semnalul de intrare. Circuitul de măsurare este astfel realizat încât indicaţia aparatului este proporţională cu rădăcina pătrată a semnalului de intrate. Se întrebuinţează în cazul măsurării debitelor de fluid prin metoda presiunii diferenţiale. Precizia de indicare depinde de nivelul semnalului de intrare. 2.4.2 Chestiuni de studiat. - Identificarea construcţiei şi funcţionării aparatelor indicatoare şi înregistratoare aflate pe standurile existente în laborator. În acest scop se vor utiliza şi datele existente în catalogul firmei producătoare a aparatelor indicatoare şi înregistratoare; - Studiul comportării aparatelor indicatoare şi înregistratoare de pe standurile existente în laborator. 2.4.3 Modul de lucru în laborator. 1. Se identifică tipurile aparatelor indicatoare sau înregistratoare de pe standurile existente în laborator precum şi schemele de legături ale acestora în scopul realizării variantelor de încercare ale lor; 2. În scopul încercării aparatelor indicatoare sau înregistratoare, se utilizează aparatele existente pe standuri, aparate de măsură tip MAVO-35 şi eventual sursa de semnale unificate tip ELZ 101 şi o cutie de rezistenţe decadice tip Rd 6.1. Bibliografie: 1. Bivolaru I., Montarea instalaţiilor de automatizare. Vol. II, Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1978. 2. Niţu C., Matlac I., Feştilă C., Echipamente electronice de automatizare.

Ed. Tehnică, Bucureşti, 1983.