ГЛАВА XIII. ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В автоматике преобразующими устройствами (преобразователями) называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства (ПУ) в автоматике являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования регулирующего воздействия или с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства [5].

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Преобразующее устройство может рассматриваться как пассивный электрический или обобщенный четырехполюсник (линейный или нелинейный), имеющий вход и выход. Понятие обобщенного четырехполюсника — устройства, характеризующегося двумя входными и двумя выходными физическими величинами (сигналами), попарные произведения которых имеют размерность мощности — можно распространить на электромеханические, пневмомеханические, электропневматические и другие преобразователи.

На входе обобщенного четырехполюсника как аналога ПУ действует входной преобразуемый сигнал, на выходе — формируется выходной преобразованный сигнал (воздействие).

Электрический четырехполюсник рассматривается как расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют электрические сигналы. Обобщенный четырехполюсник — расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют различные комбинации физических сигналов и воздействий (например, давление на входе — линейное перемещение на выходе; линейное или угловое перемещение

на входе — электрический сигнал на выходе; температура на входе — электрический сигнал на выходе и т. д.).

Назначение ПУ. Назначение и применение преобразующих устройств в САР определяются двумя требованиями.

Во-первых, ПУ предназначаются для эквивалентного преобразования сигнала без изменения вида энергии или его физической природы на входе и выходе преобразователя. Эквивалентность преобразования, а также погрешности, связанные с таким преобразованием, могут быть оценены по спектральным характеристикам входного и выходного сигналов. Функциональное назначение ПУ этого типа — лреобразование сигнала с выхода одного устройства в соответствующий сигнал, дальнейшее использование которого при формировании регулирующего воздействия является более целесообразным.

Преобразующее устройство, осуществляющее эквивалентное преобразование низкочастотного сигнала в высокочастотный без изменения вида энергии или его физической природы, называется модулятором. Устройство, выполняющее обратное преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный без изменения его физической природы, называется демодулятором.

Во-вторых, преобразующее устройство предназначается для согласования двух устройств САР при эквивалентном преобразовании сигналов на входе и выходе преобразователя, различных по своей физической природе. Соответствие между этими сигналами также оценивается по их спектрам.

Первое из рассмотренных выше требований связано со следующей особенностью САР. Выходные сигналы широкого класса измерительных устройств — датчиков первичной информации — являются электрическими, имеющими низкочастотный амплитудный спектр. Применение усилителей постоянного тока (УПТ) для усиления низкочастотных сигналов в ряде случаев оказывается нецелесообразным из-за таких специфических недостатков УПТ, как дрейф нуля, необходимость в специальных высокостабильных источниках питания и др. Использование усилителей переменного тока требует включения в схему модулятора, осуществляющего эквивалентное преобразование низкочастотного сигнала в модулированный.

Второе требование связано с тем, что управление такими усилителями мощности САР, как гидравлическими и газовыми, осуществляется с помощью электромеханических преобразователей, которые преобразуют электрический сигнал в линейное или угловое перемещение управляющего элемента усилителя (золотника, струйной трубки, заслонки и т. д.).

В некоторых случаях функции преобразования низкочастотного сигнала в высокочастотный (или наоборот) и усиления сигнала

осуществляется одним устройством — усилителем-модулятором (или усилителем-демодулятором). Например, для усиления электрического сигнала по мощности используют усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), обладающие высокой энергоемкостью, а также стабильностью характеристик. Такие усилители осуществляют импульсную модуляцию сигнала с одновременным усилением его по мощности. Аналогичные функции может выполнять и магнитный усилитель — модулятор.

Классификация ПУ. В данном разделе книги принята классификация ПУ в зависимости от физической природы сигналов на входе преобразователя, являющаяся наиболее распространенной. В соответствии с этим ПУ подразделяются на три группы

преобразователи электрических сигналов;

преобразователи усилий, моментов, давлений; преобразователи линейных и угловых перемещений.

Входными величинами преобразователей электрических сигналов являются напряжение и ток (немодулированные или модулированные, вид модуляции — гармонический или импульсный). Выходными величинами таких преобразователей могут быть различные физические величины в зависимости от принципа действия и назначения ПУ. Например, на входе — напряжение, ток (как немодулированные, так и модулированные), на выходе — перемещение, усилие, момент и т. д. (как правило, немодулирбванные). К преобразователям электрических, сигналов относятся модуляторы с гармонической модуляцией (AM, ЧМ и ФМ); модуляторы с импульсной модуляцией (АИМ, ШИМ, ФИМ и ЧИМ), демодуляторы; импульсные экстраполяторы; электромеханические преобразователи и др.

Входными воздействиями преобразователей усилий, моментов, давлений и др. являются соответствующие механические величины, выходными — электрические сигналы (немодулированные и модулированные) или линейные и угловые перемещения.

Преобразователь усилий, моментов, давлений может выполнять функции соответствующего измерительного устройства, если усилие, момент или давление является регулируемым параметром САР. Так, например, когда регулируемым параметром системы является давление, а функции усилительного устройства выполняет распределитель типа сопло — заслонка, то мембранный преобразователь, входными величинами которого являются давление и уставка, а выходной величиной — перемещение, одновременно выполняет функции преобразующего и измерительного устройств.

К преобразователям усилий, моментов и давлений относятся следующие ПУ: мембранные, струнные, электронные, а также пьезоэлектрические, магнитострикционные тензопреобразователи и др.

Преобразующие устройства линейных и угловых перемещений осуществляют преобразование соответствующих величин, как

правило, в электрические сигналы, функционально связанные с входными механическими величинами.

К преобразователям линейных и угловых перемещений относятся следующие ПУ: электроконтактные, потенциометрические, индукционные (в том числе разнообразные сельсины), индуктивные, емкостные, электролитические и др. Если регулируемым параметром системы является линейное или угловое перемещение объекта, то при использовании соответствующей схемы соединения нескольких ПУ преобразователь линейных или угловых перемещений может выполнять функции измерительного устройства.

Далее рассматриваются особенности амплитудной модуляции, которая осуществляется различными преобразующими устройствами САР.