ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московский государственный технический университет

«МАМИ»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

В.С.Антипенко

М.И. Ефимов

Г.М. Платонов

А.А. Сиротский Одобрено методической

В.В. Матросова комиссией факультета

Л.А. Кудинова «Автоматизация и управление»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторной работы

«Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)»

по дисциплине

«Теория автоматического управления»

для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Под редакцией профессора В.И. Харитонова

Москва – 2006

В.С.Антипенко В.С. к.т.н., профессор, М.И. Ефимов, к.т.н., доцент, А.А. Сиротский, ст. преп., В.В. Матросова, ст. преп., Г.М. Платонов, доцент., Л.А. Кудинова, ассистент.

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

В методических указаниях приведена теоретическая информация по изучаемому автоматическому потенциометру, описание устройства и принципа работы лабораторной установки, а также последовательность проведения эксперимента.

Стр. 20, рис. 6 , табл. 2, библ. 8, МАМИ, 2005 г.

© Московский государственный технический университет «МАМИ»

2005 г.

I. ВВЕДЕНИЕ

Рассматриваемый автоматический потенциометр относится к измерительным системам, которые служат для получения визуальных показаний или регистрации значений различных величин в производственном процессе. Примерами подобных систем являются автоматические записывающие термометры, газоанализаторы, тензометры и т.д. Часто системы автоматического контроля сортируют продукт производственного процесса по значениям контролируемого параметра.

Автоматическая измерительная система может иметь самостоятельное значение при автоматизации производственных процессов или может являться составной частью системы автоматического управления.

Все автоматические измерительные системы можно разделить на две группы: небалансные (некомпенсационные, неуравновешенные) системы и балансные (компенсационные, уравновешенные) системы.

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Автоматический потенциометр КСП-4 относится к балансным системам, основанным на автоматическом уравновешивании (балансировании) снимаемого с датчика выходного напряжения и напряжения, подаваемого со специального устройства. Принцип работы потенциометра можно пояснить с помощью упрощённой функциональной схемы (рис. 1).

Измеряемое напряжение уравновешивается с помощью напряжения , снимаемого с реохорда Р. Ток, протекающий через реохорд, поддерживается строго постоянным с помощью переменного резистора R. Равновесие поддерживается путём автоматического перемещения движка по реохорду Р. При появлении напряжения разбаланса, обнаруживаемое нуль-органом (НО) (под НО понимается орган сравнения), сигнал рассогласования усиливается усилителем У и воздействует на балансирующий двигатель БД, который в зависимости от знака напряжения разбаланса вращается в ту или иную сторону и перемещает движок по реохорду до установления равновесия напряжений. Перемещение движка по реохорду пропорционально измеряемому напряжению , фиксируемому по шкале прибора.

К электронным усилителям, повышающим энергетический уровень сигнала разбаланса, предъявляются жёсткие требования, так как им приходится усиливать весьма малые значения термо-ЭДС, составляющие несколько десятков милливольт (мВ). Для обеспечения достаточной точности необходимо, чтобы усилитель реагировал на напряжение разбаланса, составляющее единицы микровольт (мкВ).

Усиление столь малого напряжения с помощью усилителя постоянного тока (УПТ), не обеспечивает нужной точности из-за «дрейфа нуля», имеющего тот же порядок, что и напряжение разбаланса. Поэтому напряжение разбаланса предварительно специальным преобразователем преобразуется в переменное напряжение, а затем усиливается усилителем переменного тока.

Более подробно работу потенциометра КСП-4 можно рассмотреть на принципиальной схеме рис. 2. Прибор состоит из измерительного моста ИМ, модулятора М, преобразующего напряжение разбаланса в сигнал переменного тока, входного трансформатора ТР, предварительного усилителя УП, оконечного усилителя УО и реверсивного двигателя типа РД-09, кинематически связанного с движком реохорда .

Источник измеряемого напряжения постоянного тока (термопара) подключается последовательно к полупроводниковым усилителям. ЭДС термопары сравнивается с компенсирующим напряжением , образованным в измерительной схеме как падение напряжения на резисторах и . При неравенстве и образуется напряжение разбаланса , которое поступает на модулятор, где преобразуется в переменное напряжение, и через входной трансформатор ТР подается на усилители предварительный УП и окончательный УО.

Усиленный по мощности сигнал поступает в управляющую обмотку реверсивного двигателя РД-09. Вращение вала двигателя с помощью механической передачи «шкив-трос» преобразуется в прямолинейное движение каретки, на которой закреплены контакты реохорда измерительного моста, указатель и записывающее устройство. Перемещение контактов по реохорду вызывает изменение компенсирующего напряжения в указательной (наружной) диагонали моста. В момент наступления равенства напряжение разбаланса окажется равным нулю, вал двигателя прекращает вращаться и каретка останавливается. При этом положение указателя на шкале определяет значение измеряемого параметра, которое записывается на движущейся диаграммной ленте.

III. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА

1. Измерительный мост.

Измерительная схема прибора представляет собой потенциометрический мост (рис. 2) с автоматическим уравновешиванием. Верхняя ветвь моста состоит из реохорда и резисторов и , нижняя ветвь – из резисторов , , .

Во внутреннюю (генераторную) диагональ моста включен стабилизированный источник питания ±5 В, обеспечивающий постоянство рабочего тока в измерительной схеме. Установка рабочего тока, равного 5 мА, осуществляется резистором . При этом падение напряжения на резисторе должно быть равно 1,0186 ± 0,0003 В.

Для устранения помех, возникающих в цепи измерительного напряжения, на вход прибора подключается фильтр, образованный резисторами , , и конденсаторами , и .

Плавная регулировка успокоения следящей системы осуществляется демпфером, состоящим из конденсатора и резистора .

1. Модулятор, входной трансформатор и усилитель предварительный.

Принципиальная электрическая схема блоков приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Сигнал постоянного тока поступает с измерительной схемы прибора (контакты 1, 2) на вход модулятора Э1, преобразуется в переменное напряжение и поступает на первичную обмотку входного трансформатора Тр2.

Входной трансформатор гальванически разделяет цепь датчика прибора и общую точку схемы усилителя.

Со вторичной обмотки трансформатора Тр2 сигнал поступает на прямой вход (10) первого каскада усиления – Э2, выполненного на интегральной микросхеме.

Сигнал на выходе (5) Э2 находится в фазе с входным сигналом.

Инвертирующий вход (9) Э2 используется для введения с выхода сигнала отрицательной обратной связи. Глубина этой связи определяется требуемым усилением и стабильностью работы каскада. Глубина отрицательной обратной связи устанавливается соотношением величин резисторов , , .

Усиление каскада меняется за счёт изменения глубины обратной связи с помощью переменного резистора .

В данном случае кратность регулировки усиления не менее 3.

Для предотвращения возбуждения каскада на высоких частотах используется конденсатор и цепь , .

Для подавления второй гармоники, возникающей во второй цепи блока, или к квадратурной составляющей усиливаемого сигнала служит прерыватель отрицательной обратной связи (прерыватель) Э3, включенный в цепь отрицательной обратной связи Э2.

Принцип действия прерывателя основан на том, что отрицательная обратная связь каскада, осуществляемая по цепи прерывателя, не влияет на степень усиления сигнала, имеющего такой же фазовый сдвиг, что и напряжение, управляющее цепью коммутации прерывателя.

Питание модулятора Э1 и прерывателя Э3 осуществляется от моделирующего трансформатора Тр1.

Для качественной работы модулятора и прерывателя управляющее напряжение должно иметь прямоугольную форму, что достигается с помощью цепи, состоящей из диодов и и ограничительного резистора .

С выхода первого каскада усиливаемый сигнал поступает через разделительный конденсатор на вход второго каскада усиления Э5.

Во втором каскаде к цепи отрицательной обратной связи (ООС) (выводы 4 и 5 блока) подключён внешний резистор для дистанционного изменения усиления всего усилителя. В эту цепь может быть подано также управляющее напряжение.

Питание обоих каскадов усиления осуществляется от модуля выпрямителя Э4 с фильтрами и стабилизацией выпрямленного напряжения. Переменное напряжение подводится к выводам 2 и 4 выпрямителя. С вывода 1 снимается положительное, а с вывода 5 отрицательное, относительно общей точки (вывод 3), постоянное напряжение.