Circuite electronice ale sistemelor de reglare a proceselor lente

Procesele din industria chimica, metalurgica, industria constructiilor de masini, industria materialelor de constructii si din industria energetica au o caracteristica comuna: sunt procese lente, adica sunt definite prin functii de transfer in care intervin constante mari de timp, care in anumite cazuri ajung la zeci de minute sau chiar ore. O alta caracteristica generala a proceselor lente consta in faptul ca uneori timpul mort nu este neglijabil si trebuie luat in consideratie in proiectarea echipamentelor de automatizare.

Parametrii principali ce trebuie reglati in cadrul acestor procese sunt: temperatura, presiunea, debitul, nivelul, concentratia, pH­ul, umiditatea.

Procesele cu constante de timp mari pun o serie de conditii dificile aparaturii de reglare, ai carei parametri trebuie sa corespunda acestor procese.

Un salt calitativ in constructia aparaturii de reglare automata s-a facut odata cu introducerea circuitelor integrate in structura echipamentelor. In aceste conditii s-au putut realiza aparate cu functiuni noi si performante imbunatatite pentru domenii foarte largi ale conditiilor ambiante de functionare. Astfel, regulatoarele sunt mai complexe, mai precise si cu mai multe posibilitati de interconectare cu alte aparate sau echipamente, circuitele de calcul analogic efectueaza calcule mai complicate si mai variate, unele detectoare si adaptoare se interconecteaza cu restul aparaturii mai simplu.

Pentru ca un sistem automat sa poata fi utilizat pentru a regla o mare varietate de procese, el este realizat intr-o forma unificata din punct de vedere constructiv si functional. In cadrul unificarii functionale, blocurile componente utilizeaza marimi (curent sau tensiune continua) care variaza intre aceleasi limite.

Sistemele de reglare automata elaborate de diverse firme functioneaza cu marimi unificate care difera intre ele prin domeniul de variatie. Astfel, exista sisteme denumite de zero , la care marimea unificata poate lua valori intre zero si o valoare maxima X si sisteme fara zero sau cu zero fals , la care marimea unificata poate varia intre o valoare minima x si una maxima X. Sistemele de zero au avantajul ca permit cuplarea directa la calculatoare, in timp ce sistemele fara zero au avantajul obtinerii performantelor ridicate cu scheme electronice mai simple si mai ieftine. Aceasta rezulta din faptul ca obtinerea unei liniaritati si a unei stabilitati satisfacatoare in jurul valorii zero este mai dificila la sistemele de zero .

In mod curent, valorile capetelor de scara x si X se aleg in raportul 1:5, in asa fel incat sa existe o corespondenta cu sistemele unificate pneumatice, la care standardizarea internationala a fixat semnalul unificat in domeniul 0,2  ¸  1 kgf / cm 2 .

Aparatele din sistemele de reglare automata produse de FEA se caracterizeaza prin marimi unificate care variaza in unul dintre domeniile: 2 - 10 mA; 4-20 mA; 1- 5 mA; 0- 5 mA; 0-10 mA; 1- 5 V; 0,4- 2 V; 0- 5 V; 0-10 V.

Clasificarea echipamentelor de automatizare:

a) dupa principiul constructiv si de functionare: relee, traductoare si adaptoare, regulatoare, elemente de conversie, elemente de calcul;

b) dupa rolul indeplinit intr-un sistem de conducere automata: elemente de masura, elemente de reglare, elemente de executie, elemente de comparatie;

c) dupa tipul energiei utilizate: electrice, hidraulice, pneumatice si mixte.

Evolutia aparaturii de automatizare este legata de doua aspecte: constructiv-tehnologic si conceptual.

1. Module tipizate in sisteme unificate

Structura generala a unui sistem unificat de automatizare cuprinde urmatoarele blocuri:

Figura 1.

Traductoarele transforma marimea masurata in semnal electric, preluat de adaptor, liniarizat si transformat in semnal unificat.

Indicatoarele si inregistratoarele urmaresc si inregistreaza evolutia marimilor semnificative din proces. Convertoarele au rolul de a transmite semnal de comanda de la regulator la elementele de executie. Regulatorul este cel mai important aparat din sistemul de automatizare. El are sarcina de a elabora o comanda astfel incat abaterea de reglare sa tinda la zero, sau daca este posibil sa se anuleze.

Un sistem unificat de reglare include un numar mare de tipuri de regulatoare automate, adaptoare, convertoare electronice, indicatoare, inregistratoare etc. Pentru ca realizarea acestor aparate sa se faca in conditii tehnologice moderne si cu cost redus, este necesar ca dintr-un numar finit de subansambluri sa se poata realiza orice aparat. Pe aceasta linie a fost proiectat si realizat sistemul electronic unificat de reglare SEROM, produs la inceput de FEA Bucuresti, iar apoi de IEIA Cluj Napoca.

Subansamblurile care sunt comune pentru mai multe aparate se mai numesc module tipizate. In sistemul unificat e -line modulele tipizate se noteaza cu litera H, dupa care urmeaza un numar de ordine. In sistemul SEROM, modulele tipizate se noteaza cu litera F, urmata de asemenea de un numar. De exemplu modulul tipizat F806 este un circuit de intrare realizat cu amplificatoare operationale.

Prin tipizarea modulelor componente ale aparatelor creste productivitatea muncii in productie, calitatea si fiabilitatea produselor si scade costul. De asemenea, se usureaza munca de intretinere, reducandu-se timpul necesar pentru depanarea si repunerea in functiune a aparatelor, in cazul defectarii acestora.

Problema tipizarii modulelor componente ale aparatelor electronice intr-un sistem unificat este favorizata de existenta unui semnal unificat. Cele mai utilizate semnale unificate sunt semnalele de curent continuu cu zero fals 2-10 mA si 4 - 20 mA, sau cele cu zero real 0-10 mA si 0-20 mA, respectiv de tensiune continua cu zero fals 1- 5 V sau cel cu zero real 0-5 V. Utilizarea semnalelor unificate permite folosirea unor module tipizate de intrare si iesire pentru fiecare aparat.

Tipizarea modulelor componente ale aparaturii de automatizare este favorizata si de restrangerea tipurilor de componente active utilizate. Astfel, utilizand in majoritatea aparatelor amplificatoare operationale integrate, rezulta posibilitatea tipizarii unor module de alimentare pentru tensiunile de ± 15 V, diversificate dupa puterea consumata de diferite aparate. De asemenea, utilizarea pe scara larga a circuitelor integrate TTL permite utilizarea unor module tipizate de alimentare pentru tensiunea de 5 V, diversificate si acestea dupa puterea consumata.

Din enumerarea conditiilor care favorizeaza proiectarea si utilizarea modulelor tipizate, a aparut conceptul de modul tipizat, diversificat dupa anumite conditii de utilizare. Rezulta astfel module tipizate diversificate printr­un anumit grad de echipare cu componente active sau pasive.

Modulul de intrare

De regula, la echipamentele electronice din componenta sistemelor de reglare, semnalul de intrare este amplificat si adus intr-o anumita gama si apoi supus prelucrarii conform functiei principale a aparatului. In figura  este prezentat un modul de intrare pentru doua semnale.

Figura  

Fiecare semnal de intrare este aplicat pe borna neinversoare a amplificatorului operational. Pentru depolarizarea semnalului de intrare (crearea zeroului real) se aplica o tensiune pozitiva pe intrarea inversoare si prin ajustarea valorii rezistentei reglabile se realizeaza zero real la iesire pentru zeroul fals al semnalului de intrare. De regula, semnalele de iesire vor fi in gama 0 ¸ 5 V sau 0 ¸ 10 V, fiind transmise modulului urmator pentru obtinerea functiei principale a aparatului.

Rezistenta de intrare (R  i ) converteste semnalul in curent unificat, de regula in gama 2 ¸ 10 mA (R  i  = 500  W ) sau 4 ¸ 20 mA (R  i  = 250  W ), aplicat la intrarea aparatului intr­o tensiune (u  i ) cuprinsa intre 1 si 5 V (figura 3.).

Figura 3.

Un condensator conectat in paralel cu rezistenta de intrare filtreaza semnalul de la intrarea in aparat, cu scopul de a micsora influenta zgomotelor pe liniile de conexiuni. Daca se considera un amplificator operational ideal (rezistenta de intrare si amplificare in bucla deschisa infinite) se poate scrie:

de unde:

Pentru depolarizarea semnalului de intrare, respectiv la u  i  = 1 V sa avem u  e  = 0 V se aplica prin R  2 o tensiune pozitiva pe intrarea inversoare. Pentru valorile rezistentelor din figura 3., respectiv R  1  = 1.5 K W , R  3  = 15 K W , R  4  = 5 K W , se poate scrie:

valoare ce se obtine din potentiometrul 10 K W in serie cu o rezistenta de 24.9 K W .

Pentru u  i  = 5 V va rezulta:

Rezulta ca la iesirea acestui modul vom avea un semnal in gama 0 ¸ 5 V.

Modulele de intrare, utilizate in sistemul unificat SEROM sunt produse in mai multe variante, diferentiate prin al doilea numar dupa codul F806.

Modulul de iesire

Modulul, denumit si etaj final (figura 4.), are rolul de a converti semnalul u  i aplicat la intrarea sa, intr-un semnal de curent continuu in gama adoptata. Circuitul modulului de iesire cuprinde un tranzistor separator T  1 si etajul final format din tranzistoarele T  2 si T  3 conectate in montaj Darlington. In cazul cand semnalul de iesire este cu zero real se foloseste un generator de curent constant, format din tranzistoarele T  4 si T  5 , conectate tot in montaj Darlington. Deoarece acest montaj aplica un curent de sens contrar prin rezistenta de sarcina, prin ajustarea valorii rezistentei potentiometrului P  1 se stabileste semnalul minim la iesire pentru intrare zero. Prin acest procedeu se inlatura efectul pragului neliniar al tranzistoarelor in zona semnalelor mici.

Figura 4.

Adaptoare cu circuite integrate

Adaptoarele sunt blocuri electronice care, prin intermediul detectoarelor, preiau si prelucreaza informatia referitoare la variatia parametrilor tehnologici ai unui proces industrial. Ele primesc la intrare marimi electrice diverse si le convertesc in marimi unificate.

1. Particularitati

Datorita utilizarii circuitelor integrate, a fost posibil ca adaptoarele sa raspunda exigentelor ridicate ale tehnologiilor industriale moderne.

O performanta specifica a acestor circuite este precizia ridicata; aceasta deoarece ele fac parte din schemele de masurare, reglare, si comanda. Majoritatea producatorilor realizeaza aceste blocuri in clasa de precizie 0,5 sau uneori, chiar mai buna.

Caracteristic adaptoarelor este faptul ca se monteaza in diverse puncte ale instalatiei, in apropierea detectorului sau facand corp comun cu el. Din acest motiv adaptoarele au o gama de temperatura de functionare mai larga decat celelalte aparate si conditii severe de protectie la medii corosive, etanseitate si protectie antiexploziva.

Transmisia semnalelor in tensiune, in cazul unor distante mari intre adaptoare si dulapurile de automatizare, este supusa perturbatiilor electromagnetice. Daca semnalul este transmis in curent unificat, acesta este usor de refacut la receptie si este mai putin afectat de lungimea liniei de transmisie.

Blocurile adaptoare se impart in mai multe categorii, dupa tipul detectorului la care se conecteaza:

- adaptoare pentru detectoare de temperatura (ELT 162, ELT 163-FEA);

- adaptoare pentru detectoare de pH (ELT 630, ELT 632-FEA);

- adaptoare pentru detectorul de potential redox (oxido­reducere) (ELT 633-FEA);

- adaptoare pentru detectorul de conductivitate (ELT 730, ELT 733-FEA);

- adaptoare pentru detectorul electromagnetic de debit (FE 96-FEA; E 96 Foxboro - SUA).

Adaptoare pentru detectoare de temperatura

In aceasta categorie intra blocurile adaptoare pentru termocupluri si pentru termorezistente. Adaptorul ELT 162 poate functiona cu unul dintre cele doua detectoare, iar la iesire genereaza marime unificata (curent sau tensiune). In figura 5. se da schema bloc a adaptorului ELT 162 pentru termorezistenta.

Figura 5.

Schema cuprinde urmatoarele circuite:

- circuitul de masurare, constituit din puntea P, care da la iesire tensiunea continua lent variabila U  p , dependenta de valoarea R  T a termorezistentei montate intr-unul dintre bratele puntii si implicit de temperatura reglata;

- amplificatorul operational AO (realizat in tehnica integrata) si amplificatorul de iesire AE;

- circuitul de reactie negativa CR, de mare stabilitate, care include si circuite pentru liniarizarea caracteristicii curent de iesire (I  e ) - temperatura ( q ).

Capacitatea de liniarizare este suficienta pentru orice tip de detector si pentru orice domeniu de masurare.

Caracteristica statica a amplificatorului in bucla deschisa

Amplificatorul in bucla deschisa (figura 6.) cuprinde amplificatorul operational (AO) si amplificatorul de iesire realizat in montaj Darlington cu tranzistoarele T  1 , T  2 .

Figura 6.

Dioda Zener are rol de limitator, iar R  e reprezinta rezistenta echivalenta la intrarea circuitului de reactie. Tensiunea de iesire a amplificatorului operational are expresia:

Daca , dioda Zener este blocata,

Curentul de iesire are valoarea:

sau

Caracteristica statica a amplificatorului in bucla deschisa este deci liniara. La valori mari ale tensiunii U  1 (U  1  > U  Z ) dioda Zener se deschide si:

constant.

Rezulta constant, ceea ce justifica rolul de limitator al diodei Zener.

Caracteristica statica a termorezistentei

Utilizand o termorezistenta de platina tip Pt 50, ea are o caracteristica neliniara, data de relatia:

in care: R  T0 reprezinta rezistenta la 0  ° C; a  = 3,94  .  10 -3 / ° C; b  = ­5,8   .  10 ­7 /( ° C) 2 .

Dependenta de temperatura a valorii rezistentei este reprezentata in figura 7. Eroarea de neliniaritate este de 0.4  ° C pentru temperaturi de pana la 100  ° C, 4  ° C pentru temperaturi de pana la 250  ° C, 10  ° C pentru temperaturi de pana la 500  ° C si 43  ° C pentru temperaturi de pana la 1000  ° C.

Pentru liniarizarea caracteristicii statice a ansamblului termorezistenta - adaptor se considera caracteristica statica aproximata prin cinci segmente cu panta variabila (figura 8.).

Daca se iau ca variabile variatiile marimilor respective fata de valorile lor la capatul segmentelor:

ecuatia segmentelor, va fi:

Panta segmentelor K  1 , descreste la cresterea temperaturii.

Caracteristica statica a circuitului de masurat

Circuitul de masurare este o punte Wheastone. Daca se neglijeaza efectul unor rezistente mici in serie si mari in paralel, intr-o forma simplificata ecuatia puntii poate fi scrisa sub forma:

Caracteristica statica a circuitului de reactie

Circuitul de reactie este format din cuadripolul realizat cu reteaua de rezistente R  1 , R  2 , R  3 , R  4 si tranzistoarele T  1 , T  2 , T  3 , T  4 (figura 9.).

Figura 9.

Tranzistoarele sunt astfel polarizate pe baza incat intra in conductie pe rand, pe masura ce creste curentul I  e . Se modifica astfel configuratia circuitului de reactie astfel incat ecuatia lui reprezentata grafic se compune din cinci segmente cu pante din ce in ce mai mici. In cazul in care T  1 ¸ T  4 sunt blocate, se poate scrie:

, dar

La cresterea curentului I  e , scade U  i , creste U  BE a tranzistorului T  1 pana cand U  BE  > U   g si T  1 se deschide. In acest caz se poate scrie:

in care:

Se poate observa ca:

.

Rezulta astfel:

si

iar

Se poate observa ca valoarea lui K  3 scade fata de cazul in care toate cele 4 tranzistoare T  1 ¸ T  4 erau blocate.

Pe masura ce intra in conductie tranzistoarele, valoarea lui K  3 scade (figura 10.). Prin modificarea potentialului U  B al bazelor tranzistoarelor se realizeaza variatia coordonatelor punctelor de frangere ale caracteristicii statice, iar prin variatia rezistentei R  E se ajusteaza panta segmentelor.

Figura 10.

Caracteristica statica a ansamblului termorezistenta-adaptor

Considerand variatiile marimilor de intrare si de iesire pentru amplificator, se poate scrie:

stiind ca U = U  p  ­ U  r sau D U =  D U  p  ­  D U  r se poate scrie:

Deoarece K  1 si K  3 scad cu cresterea temperaturii si a curentului de iesire, raportul K  1 /K  3 se mentine constant si caracteristica statica globala este liniara.

3. Adaptor electronic pentru detectorul de pH ELT 632

Se foloseste impreuna cu orice tip de detector de pH: W62, W63, W64, la masurarea pH-ului (figura 11.). Adaptorul primeste la intrare un semnal de tensiune continua in mV furnizat de catre detectorul de pH, pe care-l converteste in semnal de curent continuu unificat. Se realizeaza in mai multe variante constructive diferentiate prin domeniul de masura si domeniul semnalului de iesire. Rezistenta de sarcina poate avea intre 0 ¸ 600  W pentru 4 ¸ 20 mA sau 0 ¸ 1200  W pentru 2 ¸ 10 mA. Lungimea maxima a cablului de legatura este de 100 cm.

Figura 11.

Schema electrica a aparatului este prezentata in figura 1

Semnalul de intrare furnizat de detectorul de pH este aplicat unui amplificator diferential de curent continuu de impedanta de intrare foarte mare. Pentru AO uzuale cresterea impedantei de intrare se poate face cu ajutorul unor etaje de intrare de tip repetor cu TECJ. Etajul amplificator prezinta insa o tensiune de offset mai mare si o rejectie de mod comun mai mica, dependenta de asimetria etajului de intrare datorata tolerantelor de fabricatie a componentelor. Utilizarea unor amplificatoare de instrumentatie cu etajul de intrare cu TECJ integrat este mult mai avantajoasa, aceste amplificatoare asigurand rezistente de intrare de ordinul 10  12   W si curenti de polarizare de ordinul pA.

Figura 1

Dupa o amplificare corespunzatoare, semnalul este aplicat unui amplificator in reactia caruia este conectata termorezistenta din detectorul de pH (pentru compensarea influentei temperaturii). Urmeaza un etaj de reglare prin intermediul caruia se realizeaza ajustarea punctului de zero (P  5 ) si a sensibilitatii (P  4 ) - capetele de gama. Semnalul furnizat de acest bloc se aplica etajului final de amplificare care asigura la iesire semnal unificat in curent continuu.

Adaptorul se conecteaza la detector numai cu cablu special de pH, format din patru fire, dintre care unul ecranat, intreg cablul fiind ecranat si izolat in polietilena.

La borna E se conecteaza ecranul conductorului electrodului de masura iar la borna S conductorul electrodului de masura. La borna C se conecteaza conductorul electrodului de referinta iar la bornele T, T, se conecteaza conductorii corespunzatori termorezistentei din detector.

Adaptorul mai contine o sursa de tensiune continua redresata si filtrata precum si o sursa stabilizata de 15 V.

Relatia dintre valoarea pH-ului si semnalul de iesire corespunzator I  x este:

unde A este valoarea curentului de iesire in mA pe unitatea de pH:

unde pH  max , pH  min sunt limitele superioara si inferioara ale domeniului pH; pH  mas - valoarea masurata a pH­ului, iar I  max , I  min limitele superioara si inferioara ale domeniului semnalului de iesire.

4. Adaptoare pentru detectoare de presiune

Pentru masurarea presiunilor in aplicatii industriale poate fi folosit un senzor de presiune piezorezistiv. MPX 2100DP este un senzor de presiune diferentiala, compensat cu temperatura si functioneaza in gama 0 ¸ 1 bar. Un circuit simplu pentru amplificarea semnalului dat de senzor si transmisia in semnal unificat 4 ¸ 20 mA pe linie telefonica cu trei fire cu lungime de pana la 50 m si rezistenta de sarcina intre 150 ¸ 400  W este prezentat in figura 13.

Figura 13.

Circuitul este alimentat de la receptor cu o tensiune continua de 15 V. Senzorul se alimenteaza direct de la sursa de alimentare. Primul bloc este un amplificator diferential realizat cu A  1 si A  2 . Conversia tensiune-curent se realizeaza cu un amplificator cu castig unitar A  3 si tranzistorul T pentru amplificare in curent. Conectarea la primul bloc se face prin rezistentele R  3 si R  5 . Pentru a asigura o buna rejectie de mod comun precum si liniaritatea circuitului este necesara sortarea rezistentelor R  3 , R  4 , R  5 si R  6 la aceeasi valoare. Pentru acelasi motiv este necesara si o buna imperechere a rezistentelor R  8 si R  9 .

Pentru a asigura performantele in cazul unor linii de transmisie lungi, este necesara plasarea unor capacitati (C  1 si C  2 ) intre alimentare si iesire pentru a preveni aparitia oscilatiilor.

Este important sa se realizeze echilibrarea montajului cu linia de transmisie conectata. Sunt necesare doua ajustari pentru a obtine la iesire curent in gama 4 ¸ 20 mA:

- pentru presiune diferentiala zero se ajusteaza R  off astfel incat sa se obtina 4 mA c.c. la receptor;

- pentru presiune maxima, conform domeniului de masura, se ajusteaza R  G astfel incat sa se obtina 20 mA la receptor.

Iesirea se modifica proportional cu tensiunea de alimentare, adica daca la iesire se obtin 18 mA pentru o valoare a tensiunii de alimentare de +15 V, pentru o alimentare de +14 V se obtin la iesire in aceleasi conditii de presiune 16,8 mA.

Daca nu se poate asigura o alimentare cu tensiune stabilizata, se prevede montarea in schema a unui stabilizator de 12 V.

5 Adaptoare pentru detectorul electromagnetic de debit

Masurarea debitelor de lichide bune conductoare de curent se poate face utilizand un detector de constructie speciala, numit detector electromagnetic de debit. Detectorul se compune din doua bobine L 1 si L 2 , alimentate de la retea, care creeaza un camp magnetic perpendicular pe axul conductei (figura 14.).

Se asimileaza masa de lichid cu un conductor care se deplaseaza perpendicular pe liniile de forta ale unui camp magnetic cu viteza v . In conductor apare o tensiune electromotoare indusa care se culege cu doi electrozi (E) montati pe conducta.

Figura 14.

Deoarece bobina este realizata cu un factor de calitate foarte mare, marimile B, H, I sunt defazate cu in urma tensiunii U care se aplica bobinei.

Tensiunea indusa este in faza cu curentul i si are expresia:

in care e  u si b reprezinta valorile instantanee ale tensiunii induse, respectiv campului magnetic generat de bobina, iar l - lungimea conductorului (egala cu diametrul conductei).

Debitul de lichid are expresia:

unde D reprezinta diametrul conductei.

Avand in vedere ca l = D, amplitudinea tensiunii induse se poate scrie sub forma:

Din aceasta relatie rezulta ca tensiunea indusa este proportionala cu debitul. In realitate, E  u depinde si de amplitudinea tensiunii de retea prin intermediul lui B. Relatia intre E  u si tensiunea retelei U se poate deduce din:

Deoarece tensiunea retelei prezinta variatii, adaptorul contine circuite care compenseaza aceste variatii.

La intrarea in adaptor mai apare o tensiune parazita, generata prin inductie in firele de legatura cu detectorul. Marimea acestei tensiuni este diminuata considerabil printr-o ecranare deosebita a firelor de legatura. Fiecare din cele doua fire este inconjurat cu un ecran propriu, iar ansamblul este introdus in alte doua ecrane coaxiale.

Schema bloc a adaptorului este reprezentata in figura 15. Schema primeste la intrare doua tensiuni: tensiunea utila, E  u si o tensiune de referinta, E  r destinata sa compenseze variatiile tensiunii de retea. Tensiunea de referinta se obtine printr-un transformator de la aceeasi sursa (retea) care alimenteaza detectorul. Prin circuite de defazare corespunzatoare este adusa in faza cu E  u .

Figura 15.

Cele doua tensiuni sunt redresate de doua redresoare sincrone, comandate de un circuit trigger de sincronizare.

Tensiunile redresate E  c1 , E  c2 comanda un circuit de impartire (oscilator dubla rampa). La iesirea acestuia se obtin impulsuri dreptunghiulare a caror factor de umplere variaza liniar cu debitul si este independent de tensiunea de retea. Aceste impulsuri comanda un optocuplor care asigura o izolare galvanica intre circuitele de intrare si iesire.

Tensiunea data de optocuplor se aplica unui circuit formator care genereaza impulsuri dreptunghiulare. Aceste impulsuri au amplitudinea determinata cu precizie, iar factorul de umplere este identic cu cel al impulsurilor generate de oscilatorul dubla rampa. Prin filtrare, se extrage componenta medie, care variaza liniar cu factorul de umplere, deci si cu debitul.

Amplificatorul de iesire asigura aducerea tensiunii utile in domeniul unificat de variatie si cuplarea sarcinii.

3. Indicatoare si inregistratoare electronice

Indicatoarele si inregistratoarele electronice fac parte din categoria aparatelor secundare de panou. Acestea sunt aparate electronice fabricate intr-un numar mare de variante constructive, oferind posibilitatea afisarii si inregistrarii continue a valorilor instantanee ale unor semnale, in special din instalatiile de automatizare a proceselor lente. Pot functiona cu semnal unificat la intrare sau cuplate direct la traductoare.

Concomitent cu indicarea si inregistrarea acestor semnale in raport cu timpul, aparatele realizeaza si o serie de functii suplimentare (adaptare, semnalizari de depasiri ale limitelor, prescriere de referinta etc.), care permit reducerea numarului aparatelor din buclele de reglare, rezultand insemnate economii in costul echipamentelor de automatizare si totodata cresterea fiabilitatii.

Pentru indicarea, sau inregistrarea, unor parametri de proces s-ar putea utiliza cu bune rezultate si aparatura cu precizie mai redusa (clasa 1 sau 1,5) dar, functiile suplimentare necesita o precizie mai ridicata, ceea ce confera si aparaturii de acest tip precizie superioara.

Principiul care sta la baza functionarii acestor aparate este cunoscut sub denumirea de principiul compensarii automate . In cazul semnalelor neunificate (tensiuni continue sau rezistente variabile), aparatele compara semnalul de intrare cu un semnal intern (tensiune continua sau rezistenta) a carui valoare depinde de pozitia acului indicator, sau a penitei. In cazul semnalelor de tensiune, comparatia se face prin metoda potentiometrica, iar in cazul rezistentelor, comparatia se face cu ajutorul unei punti Wheatstone. Daca exista diferente intre cele doua semnale comparate, rezulta un semnal de eroare, care este aplicat unui amplificator de c.c. cu circuite integrate. Semnalul de iesire al amplificatorului de eroare este aplicat etajului final ce comanda un servomotor electric. Acesta deplaseaza acul indicator si cursorul potentiometrului de reactie pana cand semnalul de eroare se anuleaza, moment in care acul indicator arata valoarea semnalului aplicat la intrarea aparatului.

In cazul semnalelor de c.c. unificate, principiul de functionare este identic cu cel descris, cu precizarea ca in cazul semnalelor unificate, acestea se aplica unor rezistente calibrate (de valoare dependenta de domeniul semnalului unificat), care transforma informatia de curent intr-o tensiune proportionala cu acesta.

In functie de tipul motorului electric utilizat pentru actionarea mecanismului de deplasare a penitei sau a acului indicator, se realizeaza trei tipuri de indicatoare si inregistratoare: cu motoare de c.c., cu motoare de cuplu si cu motoare liniare.

Indicatoarele cu motor de curent continuu necesita utilizarea unor reductoare electromecanice intre motor si cursorul reostatului de reactie.

Figura 23.

Circuitul de comanda (figura 23.) poate avea trei stari, asociate starii celor doua tranzistoare: starea in care T  1 este saturat iar T  2 blocat; starea in care T  2 este saturat iar T  1 blocat si starea in care ambele tranzistoare sunt blocate. La intrarea amplificatorului operational se aplica o tensiune egala cu diferenta dintre tensiunea de la intrare u  i si tensiunea de pozitie u  p a cursorului potentiometrului de reactie. Potentiometrul de reactie este alimentat de la o sursa de curent.

Reactia negativa aplicata de la tensiunea de comanda a motorului de c.c. printr-un element caracterizat printr-o functie de transfer de ordinul intai are rolul de a amortiza socurile.

Schema electronica a indicatoarelor cu motor de cuplu este similara cu cea prezentata pentru motoarele de c.c., cu deosebirea ca motorul de cuplu necesitand o amplificare mai mare, dupa amplificatorul operational se folosesc si etaje de amplificare cu tranzistoare. Utilizarea motoarelor de cuplu prezinta avantajul ca nu mai sunt necesare reductoare electromecanice intre motor si cursorul reostatului de reactie.

Inregistratoarele electronice analogice sunt dotate, in plus fata de indicatoare, cu un motor sincron, care, printr-un sistem de roti dintate, antreneaza hartia in fata penitei de inregistrare. Banda inregistratoare de hartie, de o anumita lungime si latime este deplasata prin intermediul unui tambur care se roteste cu o viteza constanta, fiind actionat de catre un motor electric printr-un reductor. Acest sistem asigura o viteza constanta de deplasare a benzii.

Functiile auxiliare cu care sunt dotate aceste aparate pot fi individuale, simultane sau cu excludere reciproca (in cazul aparatelor cu doua sau mai multe intrari).

Principalele functii auxiliare sunt:

1. Functia M : semnalizeaza prin contact de releu depasirea limitelor inferioara sau superioara a semnalului masurat. Limitele sunt usor de fixat si se evidentiaza pe scala printr-un index;

 Functia K : identica cu functia M dar fara evidentierea indexului pe scala aparatului;

3. Functia S : exista doar la inregistratoarele in mai multe puncte si se utilizeaza impreuna cu unul sau mai multe elemente de semnalizare tip X 71 prin care se semnalizeaza depasirea unei limite sau a unei zone prestabilite pentru parametrul masurat;

4. Functia C : transmiterea semnalului de eroare dintre pozitia acului indicator (inregistrator) si pozitia unui index de referinta fixat manual in orice punct al scalei;

5. Functia TS : transmiterea unui semnal de referinta in domeniul 0,4 ¸ 2 Vc.c. proportional cu pozitia unui index fixat manual;

6. Functia T : transmiterea unui semnal proportional cu valoarea indicata in gama 0,4 ¸ 2 Vc.c.;

7. Functia R : extragerea radacinii patrate din semnalul de intrare. Indicatia aparatului este proportionala cu radacina patrata a semnalului de intrare. Este necesara in cazul masurarilor de debite pe principiul presiunii diferentiale;

8. Functia B : semnalizarea la intreruperea circuitului de intrare prin deplasarea acului indicator spre una din extremitatile scalei si actionarea unui intrerupator. Functia este des utilizata in cazul masuratorilor de temperatura cu termocuplu (fara adaptor);

9. Functia D : comutarea automata (sau manuala) pe doua domenii diferite de masurare;

10. Functia H : transmiterea semnalului masurat pentru a comanda un regulator bipozitional in mai multe puncte, de tipul X 74;

11. Functia Q : transmiterea unui semnal pentru corectia debitului in functie de valoarea presiunii statice. Aparatul primeste semnale de la un traductor de presiune statica si unul de presiune diferentiala. La iesire furnizeaza un semnal de tensiune de forma: U  0  = K  .  D P  .  P/P  0 , unde P reprezinta presiunea instantanee absoluta, P  0 presiunea absoluta standard, iar D P este caderea de presiune statica pe diafragma. Se utilizeaza la masurarea debitului de gaze impreuna cu elementul de compensare de temperatura si presiune statica, de tipul ELX 24

6. Integratoare electronice specializate

Aceste aparate servesc pentru contorizarea unor marimi masurate si sunt utilizate in instalatiile de automatizare a proceselor lente ca elemente secundare.

Integratorul electronic liniar ELI 212

Functia principala a acestui element consta in contorizarea debitelor, dar poate fi folosit si in alte aplicatii. Aparatul poate fi prevazut cu functii suplimentare ca: aducere la zero (manual sau electric), limitarea inferioara a integrarii, introducerea unei valori prescrise pentru dozare si indicarea semnalului de intrare.

Figura 33.

Schema bloc simplificata (figura 33.) include blocul surselor de alimentare, un element DP pentru depolarizarea semnalului de intrare, un amplificator diferential AD pentru aducerea semnalului amplificat in gama 0 ¸ 10 V. Acest semnal este convertit printr-un convertor tensiune-frecventa in semnal in impulsuri cu o frecventa in gama 0 ¸ 10 KHz. Divizarea acestei frecvente se face cu un coeficient reglabil necesar pentru modificarea vitezei maxime de integrare (numarul de unitati acumulate in contor intr-o ora pentru un semnal de intrare 100 %), si care se fixeaza intre 100 si 1000. Impulsurile de la iesirea divizorului sunt amplificate in putere si transmise la bobina contorului electromagnetic. Modulul contorului electromagnetic este prevazut cu un element pentru fixarea valorii limita inferioara L  inf a semnalului contorizat. Daca semnalul de tensiune este mai mic decat valoarea limitei inferioare, elementul de limitare blocheaza numaratoarele ce alcatuiesc divizorul reglabil.

Optional aparatul poate fi echipat si cu un bloc de afisare numerica. Pentru aceasta semnalul analogic amplificat este convertit intr-o marime numerica pe 3 digiti care sunt transmisi la blocul de afisare. Afisarea serveste pentru indicarea procentuala a valorii instantanee a semnalului integrat.

Integratorul electronic de radacina patrata ELI 203

Se foloseste pentru contorizarea debitelor, primind de la intrare un semnal unificat obtinut cu traductoare de presiune diferentiala. In principiu are aceeasi constructie ca si integratorul ELI 212, avand in plus un circuit extractor de radical dupa amplificatorul diferential. De asemenea, semnalul rezultat la iesirea extractorului de radical, proportional cu radacina patrata a semnalului de intrare, poate fi transmis la un bloc pentru convertirea in semnal unificat de iesire. Aceasta functie suplimentara permite transmiterea in exterior a unui semnal unificat, proportional cu debitul masurat.

Integrator electronic specializat pentru contorizarea cantitatii de caldura ELI 200

Se utilizeaza in sistemele de reglare automata a proceselor termice si in sistemele de masura a cantitatii de energie termica. Aparatul primeste la intrare trei semnale: un semnal D de la traductorul de debit si doua semnale T  1 si T  2 de la traductoarele de temperatura montate pe conducta de tur si pe cea de retur. In urma prelucrarii semnalelor de intrare pe baza unei relatii de tipul:

Indicatorul afiseaza numeric, pe 6 cifre, cantitatea de energie termica. In relatia de mai sus s-a notat prin Q  C cantitatea de energie termica; K coeficientul de scara al contorului; t = 0 momentul conectarii integratorului iar prin t  1 momentul citirii contorului.

In figura 34. se prezinta schema bloc pentru obtinerea semnalului ce se integreaza.

Figura 34.

Semnalul de la traductorul de debit este depolarizat (DP) si amplificat, fiind adus in gama de valori 0 ¸ 10 V. Semnalele T  1 , T  2 de la traductoarele de temperatura sunt amplificate si dupa efectuarea operatiei de scadere semnalul rezultat este adus in gama 0 ¸ 10 V. Cele doua semnale sunt aplicate la un modul de calcul care efectueaza operatiile de multiplicare si daca este necesar, de extragere a radacinii patrate. Semnalul de la iesirea acestui modul reprezinta valoarea instantanee a debitului de caldura si este transmis, identic ca la integratorul ELI 203, la modulul contorului electromagnetic de impulsuri care realizeaza operatiile de integrare si afisare numerica a consumului de energie termica. Optional poate fi afisata, procentual, valoarea instantanee a semnalului integrat, sau poate fi generat la iesire un semnal unificat proportional cu acesta.