Глоссарий и часто задаваемые вопросы

Выходные устройства (ВУ) - служат для передачи регистрирующих или управляющих сигналов на исполнительные механизмы.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — наиболее эффективный и распространенный вид регулятора, обеспечивающий достаточно высокую точность при управлении различными процессами.

ПИД-регулятор вырабатывает выходной сигнал, который рассчитывается по следующей формуле:

постоянная времени дифференцирования

постоянная времени интегрирования

накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма)

Как видно из формулы, сигнал управления является суммой трех составляющих:

• пропорциональной (1-е слагаемое);
• интегральной (3-е слагаемое);
• дифференциальной (2-е слагаемое).

Пропорциональная составляющая зависит от рассогласования Ei и отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования.

Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования, которая является дополнительным источником выходной мощности и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки при отсутствии перерегулирования.

Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения параметра / , вызывающей реакцию регулятора на резкое изменение измеряемого параметра, возникшее, например, в результате внешнего возмущающего воздействия.

Для эффективной работы ПИД-регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД-регулятора Xp, и . Это можно cделать вручную или воспользоваться автонастройкой.

Частные случаи ПИД-регулирования, поясняющие действие его составляющих:

• пропорциональное регулирование (П-закон, аналоговый П-регулятор)
• пропорционально-дифференциальное регулирование (ПД-закон)
• пропорционально-интегральное регулирование (ПИ-закон)

Измерители-регуляторы ОВЕН выпускаются с одним, двумя и восемью каналами измерения.

Измерители-регуляторы УКТ38-В, УКТ38-Щ4, МПР51, ТРМ32, ТРМ33 имеют модификации входов для подключения отдельных групп датчиков (например ТС, ТП, АТ, АН и др., см. обозначение при заказе для конкретного прибора). Тип датчика устанавливается пользователем при программировании прибора. В многоканальных приборах ко всем входам подключаются датчики только одного типа.

Приборы 2ТРМ0, ТРМ1, 2ТРМ1, ТРМ10, ТРМ12 (новая линейка), ТРМ200, ТРМ201, ТРМ202, ТРМ210, ТРМ101, ТРМ501, ТРМ138, ТРМ138В, ТРМ148, ТРМ151, ТРМ251, ТРМ133 имеют универсальные входы, к которым можно подключать любые датчики, приведенные в таблице технических характеристик данного прибора. Тип датчика устанавливается пользователем при программировании прибора. В многоканальных приборах к разным входам можно подключать датчики различных типов.

Для измерения температур к входам приборов ОВЕН подключаются термопары, термопреобразователи сопротивления или любые другие датчики с унифицированным выходным сигналом. При этом при заказе прибора, не имеющего универсальных входов, необходимо правильно выбрать модификацию его входов.

Приборы ОВЕН позволяют измерять расход, давление и пр. физические величины, для этого ко входам должны быть подключены датчики с унифицированным выходным сигналом тока или напряжения. Для вывода на индикатор реального значения параметра измеренный сигнал масштабируется.

В таблицах приведен полный список датчиков, с которыми могут работать приборы ОВЕН, и указан максимальный диапазон измерения. Точный список подключаемых датчиков см. для каждого прибора в разделе «Технические характеристики».

W100 – отношение сопротивления датчика при 100 °С к его сопротивлению при 0 °С. α– отношение разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С (R0), деленное на 100 °С. Параметр α соответствует новому ГОСТу на термопреобразователи сопротивления (ГОСТ Р 8.6252006), приведен в документации для новых приборов ОВЕН.

Резистивный д.п.з. (до 900 Ом)

Токовый д.п.з. 0. 20 мА или 4. 20 мА

Токовый д.п.з. 0. 5 мА

Максимальная длина линии

Максимальное сопротивление линии

Трехпроводная, провода равной длины и сечения

Термоэлектродный кабель (компенсационный)

Принцип работы термопреобразователей сопротивления (ТСМ, ТСП, ТСН, Pt100 и др.) основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термопреобразователи выполняют в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу.

Термопреобразователи сопротивления характеризуются двумя параметрами: R0 — сопротивление датчика при 0 °С и W100 — отношение сопротивления датчика при 100 °С к его сопротивлению при 0 °С. В связи с введением нового ГОСТа на термопреобразователи сопротивления (ГОСТ Р 8.6252006) для новых приборов ОВЕН в документации вместо W100 приведен параметр α – отношение разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С (R0), деленное на 100 °С.

Для подключения термопреобразователей сопротивления к приборам ОВЕН используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора Rt подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу Rt.

При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.

Термопреобразователи сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов.

Термопара (термоэлектрический преобразователь) типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами.

Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу измерителей-регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термоЭДС, которая и подается на прибор.

Поскольку термоЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником.

Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур 0…100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность.

Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба.

При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Многие датчики различных физических величин оснащены нормирующими измерительными преобразователями. Нормирующие преобразователи преобразуют сигналы с первичных (термопар, термопреобразователей сопротивления, манометров, дифманометров и др.) в унифицированный сигнал постоянного тока или напряжения с диапазонами: 0. 20 мА, 4. 20 мА, 0. 5 мА или 0. 1 В. Диапазон выходного тока нормирующего преобразователя пропорционален значению физической величины, измеряемой датчиком, и соответствует рабочему диапазону датчика, указанному в его технических характеристиках.

В ряде приборов ОВЕН имеется встроенный источник питания постоянного тока, гальванически изолированный от схемы прибора.

Схема подключения датчиков с унифицированным выходным сигналом 4. 20 мА по двухпроводной линии к прибору 2ТРМ1:

Психрометрический метод основан на измерении разности температур сухого и влажного термометров. Температура влажного термометра всегда ниже температуры сухого из-за испарения воды с поверхности фитиля. Чем суше воздух (влажность ниже), тем интенсивнее испаряется вода с поверхности фитиля, тем ниже температура увлажняемого термометра.

Существуют полуэмпирические психрометрические формулы, из которых выведена

общепринятая формула относительной влажности:

φ — относительная влажность воздуха, %;

Евлаж. — максимально возможное парциальное давление водяного пара при температуре воздуха Твлаж., °С;

Есух. — максимально возможное парциальное давление водяного пара при температуре воздуха Тсух., °С;

р — атмосферное давление;

Тсух. — температура сухого термометра, °С;

Твлаж. — температура влажного термометра, °С;

A — психрометрический коэффициент (психрометрическая постоянная).

Психрометрический коэффициент A зависит от многочисленных факторов:

• размера и формы чувствительного элемента увлажнённого термометра;
• вида и состояния смачиваемого фитиля;
• температуры смачивающей воды и теплопроводности фитиля;
• влияния тепловой радиации.

Среди внешних факторов наибольшее значение имеет скорость воздушного потока, обдувающего увлажненный термометр. Если она больше 2,5 м/сек, то коэффициент A приближается к величине

0,0064 1/°С. Если обдува нет, то коэффициент A сильно возрастает, поэтому рекомендуется устанавливать принудительную вентиляцию. В приборах ОВЕН значение A устанавливается пользователем — например, в МПР51 допускаются значения 0,0064. 0,008 1/°С.

«Сухой» и «влажный» датчики температуры следует крепить один над другим на расстоянии 50. 100 мм:

Под «влажным» датчиком помещается резервуар с водой, в который опускается увлажняющий фитиль, закрывающий датчик. Резервуар изготавливается из нержавеющей стали, оцинкованного железа, термостойкой пластмассы, стекла или другого стойкого к условиям эксплуатации материала, не выделяющего вредных вещества. Увлажняющий фитиль чаще всего изготавливается из тонкой неотбеленной хлопчатобумажной ткани — марли, батиста, муслина, обладающих максимальной всасывающей способностью. Фитиль должен закрывать чувствительный элемент и максимальную площадь поверхности датчика.

При работе с датчиками, формирующими на выходе унифицированный сигнал тока или напряжения, в измерителях регуляторах ОВЕН предусматривается возможность масштабирования шкалы измерения по каждому из каналов. Для этого в соответствующих параметрах программирования прибора устанавливаются нижняя и верхняя границы диапазона измерения, а также положение десятичной точки.

Параметр «нижняя граница диапазона измерения» определяет, какое значение будет выводиться на индикатор при минимальном уровне сигнала с датчика (например, при 4 мА для датчика с выходным сигналом тока 4. 20 мА).

Параметр «верхняя граница диапазона измерения» определяет, какое значение будет выводиться на индикатор при максимальном уровне сигнала с датчика (например, при 20 мА для датчика с выходным сигналом тока 4. 20 мА или 1 В для датчика с выходным сигналом напряжения 0. 1 В).

Параметр «положение десятичной точки» определяет количество знаков после запятой, которое будет выводиться на индикатор.

Логические устройства (ЛУ), в соответствии с заданными пользователем параметрами, формируют сигналы управления, которые через выходные устройства прибора (реле, транзисторные ключи и т. п.) подаются на исполнительные механизмы.

В измерителях-регуляторах ОВЕН ТРМ1, 2ТРМ1, ТРМ201, ТРМ202 пользователь имеет возможность задавать входную величину и режим работы логических устройств:

• двухпозиционный регулятор (ON/OFF, компаратор);
• аналоговый П-регулятор;
• измеритель-регистратор.

При этом режим работы ЛУ и тип выходного устройства, определяемый при заказе, должны обязательно соответствовать друг другу.

Другие измерители-регуляторы ОВЕН обычно содержат основное логическое устройство – регулятор (или несколько регуляторов), который может работать в режиме ПИД или ON/OFF. Также каждый канал регулирования может включать в себя дополнительные устройства:

• двухпозиционный (ON/OFF) регулятор, который используется для сигнализации или аварийного отключения оборудования;
• регистратор (то же, что измеритель-регистратор в ОВЕН ТРМ1).

Режим работы логического устройства

Двухпозиционный регулятор (ON/OFF, компаратор)

дискретный (Р, К, С, Т, С3)

аналоговый: ЦАП 4. 20 мА (И) или 0. 10 В (У)

дискретный (Р, К, С, Т, С3) или аналоговый (И, У)

В блоке обработки входного сигнала осуществляется коррекция и цифровая фильтрация измеренных значений, а также вычисление дополнительных параметров.

Для устранения начальной погрешности преобразования входных датчиков и погрешностей, вносимых соединительными проводами, измеренное значение может быть откорректировано. В большинстве приборов ОВЕН существует два типа коррекции, позволяющих осуществлять сдвиг или изменение наклона измерительной характеристики на заданную величину.

Пример для датчика ТСМ50, W100 = 1,426 ( = 0,00426). К каждому вычисленному значению параметра прибавляется заданное пользователем значение.

Коррекция «сдвиг характеристики» используется для компенсации погрешностей, вносимых сопротивлениями подводящих проводов, и погрешностей, возникающих из-за разброса входных сопротивлений 1-го и 2-го каналов измерения (при использовании датчиков с выходным сигналом 0(4). 20 мА, 0. 5 мА).

Пример для датчика ТСМ50, W100 = 1,426 ( = 0,00426).< Значение температуры умножается на заданный пользователем поправочный коэффициент в пределах 0,900…1,100.

Коррекция «наклон характеристики» используется для компенсации погрешностей датчиков (при отклонении значения W100 у термопреобразователей сопротивления) и погрешностей, возникающих из-за разброса входных сопротивлений различных каналов измерения (при использовании датчиков с унифицированными выходными сигналами).

Цифровая фильтрация входного сигнала уменьшает влияние случайных импульсных помех на показания. В большинстве измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значительные единичные помехи, и «сглаживающая», снижающая действие небольших высокочастотных помех.

Первая ступень фильтрации описывается параметром «полоса фильтра», вторая — параметром «глубина фильтра» или «постоянная времени фильтра».

Параметр «полоса фильтра» позволяет защитить измерительный тракт от единичных помех. Полоса фильтра задается в единицах измеряемой величины. Если показание отличается от предыдущего измеренного значения более чем на величину, установленную в этом параметре, то оно игнорируется, и прибором производится повторное измерение. На цифровом индикаторе остается значение предыдущего измерения.

Как видно из рисунка, малая ширина полосы фильтра приводит к замедлению реакции прибора на быстрое изменение входной величины. Поэтому при низком уровне помех или при работе с быстроменяющимися процессами рекомендуется увеличить значение параметра или отключить действие фильтра. В случае работы в условиях сильных помех для устранения их влияния на работу прибора необходимо уменьшить значение параметра. При этом возможно ухудшение быстродействия прибора из-за повторных измерений.

Параметр «глубина фильтра» позволяет добиться более плавного изменения показаний прибора. В этом параметре задается количество N последних измерений, из значений которых прибор вычисляет среднее арифметическое. Полученная величина используется прибором в дальнейшей работе.

Вид переходных характеристик фильтра для разных значений N показан на рисунке. Уменьшение значения глубины фильтра приводит к более быстрой реакции прибора на скачкообразные изменения контролируемой величины, но снижает помехозащищенность прибора. Увеличение значения приводит к улучшению помехозащищенности, но вместе с этим повышает инерционность прибора.

Параметр «постоянная времени фильтра» τФ позволяет осуществлять экспоненциальное сглаживание. Постоянной времени фильтра называют интервал, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 от величины окончательного значения (100 °С).

На рисунке показана реакция фильтра на единичный скачок температуры при различных τФ. Большое значение постоянной времени фильтра приводит к замедлению реакции прибора на изменение входной величины, но помехи значительно подавлены (кривая I). Малые значения постоянной времени фильтра позволяют довольно точно отслеживать изменения входной величины, но уровень помех практически не уменьшается (кривая II).

В ряде измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена возможность вычисления дополнительных величин (помимо измеряемых) и их поддержания.

Например, в 2ТРМ1 есть вычислитель разности входных сигналов. Значение разности прибор может регулировать. Наиболее часто эта возможность применяется для регулирования влажности: прибор поддерживает значение разности температур, установленное по психрометрической таблице в соответствии с необходимым значением влажности.

МПР51 имеет вычислитель влажности с заложенными значениями психрометрической таблицы, что позволяет поддерживать непосредственно влажность.

2ТРМ1 имеет вычислитель квадратного корня (при работе с унифицированными аналоговыми сигналами), который может преобразовывать квадратичную характеристику дифманометра в линейную.

Приборы ТРМ151 и ТРМ148 могут вычислять целый ряд функций от величин, измеренных на входах:

• относительную влажность психрометрическим методом;
• квадратный корень из измеренной величины;
• разность измеренных величин;
• среднее арифметическое измеренных величин;
• минимальное и максимальное значения измеренных величин;
• взвешенную сумму и частное измеренных величин.

Двухпозиционный регулятор (компаратор) сравнивает значение измеренной величины с эталонным (уставкой). Состояние выходного сигнала изменяется на противоположное, если входной сигнал (измеренная величина) пересекает пороговый уровень (уставку).

В режиме двухпозиционного регулятора (компаратора) ЛУ сравнивает значение входной величины с уставками и выдает управляющий сигнал на выходное устройство в соответствии с заданной логикой.

Выходной сигнал двухпозиционного регулятора может иметь только два значения: максимальное и минимальное. Одно из них включает, а другое выключает выходное устройство.

Поэтому для работы ЛУ в режиме двухпозиционного регулятора требуется выходное устройство дискретного типа (э/м реле, транзисторная оптопара, оптосимистор, выход для управления внешним твердотельным реле).

Тип логики двухпозиционного регулятора, уставка Туст. и гистерезис Δ задаются пользователем при программировании прибора.

Двухпозиционный регулятор используется:

• для регулирования измеренной величины в несложных системах, когда не требуется особой точности;
• для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы.

В приборах ОВЕН реализованы 4 типа логики двухпозиционного регулятора (ON/OFF, компаратора)

Применяется в случае использования прибора для управления работой нагревателя (например, ТЭНа) или сигнализации о том, что значение текущего измерения Т меньше уставки Туст. При этом выходное устройство, подключенное к ЛУ, первоначально включается при значениях Т<Туст– , выключается при Т>Tуст+Δ и вновь включается при Т<Туст–Δ , осуществляя тем самым двухпозиционное регулирование температуры объекта по уставке Туст с гистерезисом ±Δ.

Применяется в случае использования прибора для управления работой охладителя (например, вентилятора) или сигнализации о превышении значения уставки. При этом выходное устройство первоначально включается при значениях Т>Tуст+Δ , выключается при Т<Туст–Δ и вновь включается при Т>Tуст+Δ , также осуществляя двухпозиционное регулирование.

Применяется при использовании прибора для сигнализации о входе контролируемой величины в заданные границы. При этом выходное устройство включается при Туст–Δ <Т<Tуст+Δ.

Применяется при использовании прибора для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т<Туст– Δи Т>Tуст+ Δ.

Для защиты выходного устройства от частых срабатываний при работе ЛУ в режиме компаратора, во многих приборах ОВЕН (например ТРМ1 , 2ТРМ1, МПР51, ТРМ138 ) имеются параметры для установки времени задержки включения tвкл и времени задержки выключения tвыкл выходного устройства. ЛУ включает (выключает) выходное устройство, если условие, вызывающее изменение состояния, сохраняется, как минимум, в течение времени, установленного в этих параметрах.

Для аварийной сигнализации о выходе параметра за установленные границы во многих приборах ОВЕН (например ТРМ1 , 2ТРМ1 , ТРМ138 ) можно задать минимальное время удержания выхода в замкнутом и разомкнутом состоянии. ЛУ удерживает выходное устройство в соответствующем состоянии в течение заданного времени, даже если по логике работы устройства сравнения требуется переключение.

РЕГУЛЯТОР — устройство, предназначенное для поддержания контролируемой величины на заданном уровне.

Схема работы регулятора аналогового типа

В режиме аналогового регулирования ЛУ рассчитывает отклонение E текущего значения контролируемой величины T от заданной уставки Tуст. (т. е. рассогласование). В результате на выходе регулятора вырабатывается аналоговый сигнал Y, который направлен на уменьшение рассогласования E. Этот сигнал подается на исполнительное устройство регулятора в виде тока или последовательности импульсов (ШИМ).

Если выходное устройство регулятора дискретного типа (реле, транзисторная или симисторная оптопара, выход для управления твердотельным реле), выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов с длительностью D (см. рисунок):

D – длительность импульса, с;

Тсл – период следования импульсов, с (задается пользователем при программировании);

Y – выходной сигнал регулятора.

Если в качестве выходного устройства используется ЦАП, выходной сигнал преобразуется в пропорциональный ему ток 4. 20 мА или напряжение 0. 10 В.