mech_auto_przem_731[01].Z2.01 u.doc

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie
Wymagania wstępne

CC Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1. Przetworniki ciśnienia

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Przetworniki temperatury

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Przetworniki binarne

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Przetworniki cyfrowe kąta

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Wzmacniacze pneumatyczne i elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Regulatory bezpośredniego działania

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Regulatory pneumatyczne i elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Regulatory dwustanowe

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o zasadach uruchamiania

przetworników i regulatorów.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś umieć przed
przystąpieniem do nauki,

−

cele kształcenia, jakie powinieneś osiągnąć w czasie zajęć edukacyjnych tej jednostki
modułowej,

−

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące metod badania i uruchamiania
przetworników i regulatorów,

−

zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści nauczania,

−

ćwiczenia, które umożliwią Ci nabycie umiejętności praktycznych,

−

sprawdzian osiągnięć,

−

wykaz literatury.
W materiale nauczania opisano budowę i zasady uruchamiania różnych przetworników

pomiarowych, programatorów oraz zasady ich uruchamiania. Poza opisem teoretycznym
przetworników i regulatorów w części ćwiczeniowej zaproponowano zestawy układów
praktycznych, które będą wykonywane przez grupy ćwiczeniowe.

Z rozdziałem Pytania sprawdzające możesz zapoznać się:

–

przed przystąpieniem do rozdziału Materiał nauczania – poznając przy tej okazji
wymagania wynikające z potrzeby zawodu, lub po przyswojeniu wskazanych treści,
odpowiadając na te pytania sprawdzisz stan gotowości do wykonywanych ćwiczeń,

–

po zapoznaniu się z rozdziałem Materiał nauczania, aby sprawdzić stan swojej wiedzy,
która będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.
Wykonując ćwiczenia zawarte w Poradniku

lub ćwiczenia zaproponowane przez

nauczyciela poznasz zasady uruchamiania podstawowych urządzeń automatyki.

Po wykonaniu ćwiczeń sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując test Sprawdzian

postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
–

przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,

–

podaj odpowiedź wstawiając X w odpowiednie miejsce.
Odpowiedź NIE wskazuje na luki w Twojej wiedzy, informuje Cię również o pewnych

brakach w przyswajanej przez Ciebie wiedzy. Oznacza to powrót do treści, które nie są
dostatecznie opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich wiadomości lub ich

części w zakresie

uruchamiania

przetworników i regulatorów będzie podstawą do przeprowadzenia przez nauczyciela
sprawdzianu poziomu przyswajanych wiadomości i ukształtowaniu umiejętności.

W rozdziale 5 tego poradnika jest zamieszczony Sprawdzian osiągnięć, który zawiera:

–

instrukcję, w której omówiono tok postępowania podczas przeprowadzania sprawdzianu,

–

zestaw zadań testowych,

–

przykładową kartę odpowiedzi, w której, w przeznaczonych miejscach wpisz odpowiedź
na pytania; będzie to stanowić dla Ciebie trening przed sprawdzianem zaplanowanym
przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

731[01].Z2

Układy automatyki przemysłowej

i urządzenia precyzyjne

731[01].Z2.01

Uruchamianie przetworników

i regulatorów

731[01].Z2.02

Obsługiwanie zespołów napędowych

i nastawczych

731[01].Z2.04

Stosowanie elementów sterowania

i zabezpieczeń w urządzeniach

precyzyjnych

731[01].Z2.03

Określanie konstrukcji wybranych

urządzeń precyzyjnych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

stosować jednostki układu SI,

−

przeliczać jednostki,

−

wykonywać wykresy funkcji,

−

użytkować komputer,

−

wyjaśniać znaczenie członów automatyki,

−

analizować charakterystyki regulatorów i przetworników,

−

stosować symbole elementów automatyki,

−

rozróżniać nastawy regulatorów,

−

podłączać aparaturę kontrolno – pomiarową elektryczną i mechaniczną,

−

dobierać zakresy pomiarowe mierników elektrycznych,

−

współpracować w grupie,

−

stosować przepisy BHP.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

wyjaśnić cel stosowania przetwornika w automatyce,

−

opisać metody przetwarzania wielkości fizycznych na sygnały standardowe,

−

wyjaśnić zasady działania przetworników pomiarowych (siły, przesunięcia) na sygnały
elektryczne i pneumatyczne oraz uruchomić przetwornik,

−

objaśnić pojęcia przetworników binarnych i cyfrowych,

−

uruchomić przetworniki analogowe i cyfrowe,

−

objaśnić budowę i działanie regulatorów bezpośredniego działania: temperatury, poziomu
i ciśnienia oraz uruchomić regulator,

−

opisać rodzaje stosowanych w automatyce wzmacniaczy,

−

przedstawić działanie pneumatycznych regulatorów mieszkowych,

−

objaśnić budowę i uruchomić regulator elektryczny ciągły i cyfrowy,

−

opisać działanie regulatora dwu i trzystanowego,

−

wyjaśnić role programatorów w sprzęcie gospodarstwa domowego,

−

skorzystać z dokumentacji technicznej i PN,

−

zastosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej
oraz ochrony środowiska podczas wykonywania pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Przetworniki

ciśnienia

4.1.1. Materiał nauczania

Poznałeś już urządzenia pomiarowe, w których źródłem sygnału jest czujnik pomiarowy.

Sygnał  wyjściowy  z  czujnika  tylko  niekiedy  nadaje  się  do  bezpośredniego  wykorzystania
w układzie  regulacji.  Dla  umożliwienia  łączenia  urządzeń  automatyki  takich  jak  regulatory,
rejestratory,  wskaźniki,  siłowniki,  układy  CRPD  jest  niezbędna  standaryzacja  sygnałów
wejściowych  i  wyjściowych.  Obecnie  przyjęto  standaryzację  sygnałów  elektrycznych
i pneumatycznych na następujących poziomach:
a)  sygnały elektryczne prądowe: 0–20 mA lub 4–20 mA,
b)  sygnały elektryczne napięciowe:

10 V,

c) sygnały pneumatyczne 20–100 kPa,
d) standardy cyfrowe – np. HART, PROFIBUS - PA.

Sygnał pomiarowy z czujnika, zanim przyjmie wartość standardową, jest poddawany

obróbce, podczas której jego postać ulega wielokrotnie zmianie. Te przemiany dokonują
się w urządzeniach zwanych przetwornikami. Sygnał wyjściowy z przetwornika uzyskuje

standard, który przedstawiono w punktach od a) do c). Przetworniki są budowane jako układy
bez  sprzężenia  zwrotnego  lub  jako  autokompensacyjne  układy  ze  sprzężeniem  zwrotnym.
Przetworniki  ze  sprzężeniem  zwrotnym  charakteryzują  się  większą  dokładnością.  Poza
funkcją  przetwarzania  sygnału  z  czujnika  pomiarowego  na  sygnał  standardowy  są  również

produkowane

przetworniki, które pełnią funkcje łączenia dwóch systemów automatyki,

na przykład systemu

pneumatycznego z systemem elektrycznym i odwrotnie.

Przetworniki ciśnienia z pneumatycznym sygnałem wyjściowym

Działanie tych przetworników oparte jest na zasadzie kompensacji sił. Przetworniki

wykonywane są na różne zakresy pomiarowe średnich i wysokich ciśnień. Na rysunku
nr 1 przedstawiono pneumatyczny przetwornik średnich ciśnień o zakresie mierzonego
ciśnienia od 0 do 6 kPa oraz od 0 do 500 kPa.

Rys. 1. Przetwornik pneumatyczny średnich ciśnień: 1 – mieszek wejściowy,

2 – mieszek sprzężenia zwrotnego, 3 – regulacja zakresu, 4 – sprężyna zerująca,
5 6 – zespół dysza - przysłona, 7 – wzmacniacz [5, s. 91]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ciśnienie mierzone podawane jest do mieszka wejściowego 1, który poprzez system

dźwigni  przesuwa  przysłonę  5  względem  dyszy  6.  Ciśnienie  z  układu  dysza  –  przysłona
po wzmocnieniu  kierowane  jest  do  mieszka  sprzężenia  zwrotnego  2,  a  jednocześnie  na
wyjście  przetwornika.  Jest  to  jakby  zamknięty  układ  regulacji. Zakres  pomiarowy  zależy  od
wymiaru mieszków oraz przełożenia miedzy nimi.

Aby uruchomić ten przetwornik należy po podłączeniu zasilania p

ustawić położenie

śruby zerującej 4 na wartość początkową standardowego ciśnienia wyjściowego, oraz ustawić
położenie przekładni 3

zapewniając końcową wartość standardowego sygnału wyjściowego

odpowiadającą przetwarzanemu zakresowi.

W przetworniku pneumatycznym wysokiego ciśnienia elementem pomiarowym jest rurka

Bourdona  (rys.  2).  Jej  odkształcenie  powoduje  przesunięcie  dźwigni  i  zmianę  odległości
układu  dysza  –  przysłona.  Pozostała  część  przetwornika  działa  podobnie  jak  przetwornika
poprzedniego.  Zakres  pomiarowy  przetwornika  zależy  od  parametrów  mechanicznych

rurki

Bourdona. Dokładna regulacja odbywa się przez zmianę położenia mieszka sprzężenia
zwrotnego i zmianę naciągu sprężyny zerującej.

Rys. 2.

Przetwornik pneumatyczny wysokiego ciśnienia: 1 – rurka Bourdona, 2 – mieszek
sprzężenia zwrotnego, 3, 4 – układ dysza - przysłona, 5 – wzmacniacz, 6 – komora
stabilizująca [5, s. 92]

Poza pneumatycznymi przetwornikami ciśnienia, stosowane są

także przetworniki

różnicy ciśnień. Działanie tych przetworników oparte jest na zespołach membran, które
przetwarzają różnicę ciśnień na przesunięcia dźwigni, a dalej poprzez znany już układ
mieszków i wzmacniaczy na pneumatyczny standardowy sygnał wyjściowy.

Przetworniki ciśnienia z elektrycznym sygnałem standardowym

W praktyce jest wiele odmian przetworników ciśnienia wykorzystujących różne zjawiska

fizyczne

pozwalające

zamienić

ciśnienie

wielkość

elektryczną.

Najczęściej

są to przetworniki ciśnienia pojemnościowe i piezorezystancyjne

Przetwornik elektryczny pojemnościowy z czujnikiem ceramicznym jest czujnikiem

suchym, to znaczy ciśnienie procesowe oddziaływuje bezpośrednio na ceramiczną membranę,
uginając ją maksymalnie o 0,025 mm (rys. 3). Ugięcie wywołuje zmianę pojemności

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

elektrycznej kondensatora utworzonego pomiędzy membraną pomiarową, a ceramicznym
podłożem. Zakres pomiarowy czujnika jest determinowany grubością membrany. Zaletą
takiego przetwornika jest:

–

przeciążalność sięgająca 40 – krotności zakresu nominalnego (maks. 60 bar),

–

ekstremalnie wysoka odporność na korozję, porównywalna z Hastelloyem lub tantalem,

–

całkowita odporność na wysoką próżnię,

–

materiał czujnika (AI203) nadaje się szczególnie do zastosowań higienicznych.

Rys. 3.

Czujnik pojemnościowy przetwornika: 1 – podłoże ceramiczne, 2 – ceramiczna
membrana pomiarowa [Endress+Hauser]

W elektrycznym piezorezystancyjnym przetworniku (rys. 4), ciśnienie procesowe działa

na  metalową  membranę,  przez  ciecz  wypełniająca  przestrzeń  między  membraną,
a krzemowym  czujnikiem  piezorezystancyjnym.  Ciśnienie  napierające  na  czujnik
piezorezystancyjny  powoduje  zmianę  rezystancji  mostka.  Parametry  elektryczne  mostka
są mierzone i przetwarzana przez układ mikroprocesorowy. Zaletą takiego przetwornika jest:
–

zakres pomiarowy do 400 bar,

–

wysoka stabilność długoterminowa,

–

przeciążalność sięgająca 4 – krotności zakresu nominalnego (maks. 600 bar).

Rys. 4.

Czujnik piezorezystancyjny przetwornika: 3 – krzemowy element pomiarowy,
4 – kanalik z cieczą wypełniającą, 5 – metalowa membrana oddzielająca (spawana)
[Endress+Hauser]

Przetworniki te posiadają trzy wersje elektroniki:

–

elektronika analogowa jest najprostsza i najtańsza. Umożliwia lokalne ustawienie zera,
zakresu oraz tłumienia,

–

elektronika inteligentna posiada wiele dodatkowych funkcji. Obsługa może być
dokonywana zarówno lokalnie jak i zdalnie za pomocą komunikatora HART lub PC
z programem obsługowym, np. Commuwin II,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

elektronika PROFIBUS-PA pozwala na bezpośrednie podłączenie przetwornika
do magistrali PROFIBUS-PA. Przetwornik jest programowany zdalnie, na przykład
za pomocą programu Commuwin II.

Regulacja

przetwornika wyposażonego w

elektronikę analogową przeprowadzana jest

następująco: do ustawienia zera oraz zakresu pomiarowego służą dwa potencjometry. Podczas
ustawiania  zakresu  konieczne  jest  zadanie  ciśnienia  referencyjnego.  Wstępna  regulacja
zakresu  realizowana  jest  za  pomocą  trzech  przełączników,  dzielących  zakres  nominalny
od 1:1  do  10:1.  Dodatkowym  przełącznikiem  aktywuje  się  tłumienie  sygnału  wyjściowego.
Wskaźnik  analogowy  przedstawia  wartość  mierzoną,  odniesioną  do  zakresu  ustawionego.
Przekroczenie zakresu pomiarowego w górę lub w dół sygnalizowane jest pulsacją barografu.
Na rysunku nr 5 przedstawiono elementy strojenia przetwornika elektroniką analogową.

Rys. 5. Elementy strojenia przetwornika z elektroniką analogową [Endress+Hauser]

Do strojenia przetwornika z elektroniką inteligentną wymagane jest oprogramowanie

sprzętowe zależne od producenta przetwornika. Przetworniki z elektroniką PROFIBUSA
można programować lokalnie i zdalnie.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaki dzielimy przetworniki ciśnienia?
2.  Jakie są sygnały standardowe przetworników ciśnienia?
3.  Jaki wpływ ma sprzężenie zwrotne na dokładność przetwornika?
4.  Czym ustawiamy zakres przetwornika pneumatycznego?
5.  Jakie znasz przetworniki elektryczne?
6.  Jakie są metody strojenia przetworników elektrycznych?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeprowadź regulację przetwornika dobierając zakres pomiarowy. Wyniki umieść

w tabeli pomiarowej. Oblicz klasę dokładności oraz błędy pomiarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  połączyć przetwornik z układem zadawania ciśnienia,
2)  ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika,
3)  ustawić zakres pomiarowy – wartość końcową,
4)  przeprowadzić pomiary oraz obliczyć błędy (uchybów),
5)  przeprowadzić analizę wykonanych obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe ze źródłem ciśnienia regulowanego,

–

przetwornik pneumatyczny,

–

zestawy manometrów wzorcowych,

–

kalkulator do obliczeń,

–

karty katalogowe przetwornika.

Ćwiczenie 2

Przeprowadź regulację przetwornika dla dobranego zakresu pomiarowego. Wyniki

umieść w tabeli pomiarowej. Oblicz klasę dokładności oraz błędy pomiarowe.

Rys. do ćwiczenia 2

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  połączyć przetwornik z układem zadawania ciśnienia,
2)  ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika,
3)  ustawić zakres pomiarowy – wartość końcową,
4)  przeprowadzić obliczenia błędów (uchybów),
5)  przeprowadzić analizę wykonanych obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe ze źródłem ciśnienia regulowanego,

–

przetwornik pomiarowy z wyjściem 4 do 20 mA,

–

zasilacz prądu stałego,

–

manometr wzorcowy,

–

kalkulator do obliczeń,

–

karty katalogowe przetwornika.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić poziomy sygnałów standardowych?



wykonać strojenie przetwornika pneumatycznego?



określić klasę dokładności przetwornika?



wykonać strojenie przetwornika elektrycznego?



dokonać analizy błędów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Przetworniki

temperatury

4.2.1. Materiał nauczania

Przetworniki temperatury w zależności od przeznaczenia

są z pneumatycznym

lub elektrycznym  sygnałem  wyjściowym.  W  przetwornikach  pneumatycznych  czujnikiem
pomiarowym  temperatury  jest  element  sprężysty:  rurka  Bourdona  lub  mieszek  sprężysty.
W przetwornikach  elektrycznych  czujnikiem  pomiarowym  temperatury  może  być  rezystor
lub termoelement. Czujniki te

poznałeś w jednostce modułowej 731[01].O1.03.

Pneumatyczny przetwornik temperatury

Czujnik tego przetwornika (rys. 6) składa się z: rurki 1, kapilary oraz rurki Bourdona 2,

całość jest wypełniona gazem. Ciśnienie gazu zmienia się pod wpływem temperatury, rurka

Bourdona 2 zamienia je

na siłę działającą na koniec dźwigni 4, podpartej po przeciwnej

stronie  osi  obrotu  mieszkiem  6  sprzężenia  zwrotnego.  Mieszek  sprzężenia  zwrotnego,
zasilany  wzmocnionym  ciśnieniem  kaskadowym,  użyty  jest  do  kompensacji  siły  będącej
miarą  ciśnienia,  a  więc  miarą  temperatury  gazu.  Ciśnienie  to  jest  sygnałem  wyjściowym
przetwornika w standardzie 20 do 100kPa. Zakres pomiarowy tego typu przetwornika wynosi
od  –75  do  +  550

C. Regulacja

przetwornika polega na odpowiednim ustawieniu sprężyny

zerującej.

Rys. 6. Pneumatyczny przetwornik temperatury: 1 – rurka (czujnik termometru), 2 – rurka

Bourdona, 3, 4 – kaskada pneumatyczna, 5 – dźwignia, 6 – mieszek sprzężenia zwrotnego,
7 – wzmacniacz [5, s. 113]

Elektryczne przetworniki temperatury

Sygnałem wejściowym w tych przetwornikach (rys. 7) jest zmiana rezystancji z czujnika

Pt100, lub z termoelementu. Przetworniki mogą być mocowane bezpośrednio w obudowie

czujnika, lub na szynie mocującej. Regulacja

tych przetworników polega na ustawieniu

potencjometrami sygnału początkowego (zerowanie) oraz sygnału

końcowego (zakresu).

Przetworniki z sygnałem wejściowym rezystancyjnym mogą być połączone linią dwu lub
trójprzewodową.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 7.

Konstrukcje przetworników temperatury: Z – potencjometr zerowania, S –
potencjometr zakresu pomiarowego [opracowanie własne]

Schematy połączeń sygnałów wejściowych linią trzyprzewodową przedstawia rys. 8.

Rys. 8. Podłączenie termometru RTD - Pt100 linią trzyprzewodową [opracowanie własne]

Przetworniki z wejściem termoelementowym umożliwiają bezpośrednie podłączenie

termoelementu do przetwornika.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jak dzielimy przetworniki temperatury?
2.  Z jakim czujnikiem współpracuje przetwornik pneumatyczny temperatury?
3.  Jak regulujemy przetwornik pneumatyczny temperatury?
4.  Czym ustawiamy zakres przetwornika elektrycznego?
5.  Z jakimi czujnikami współpracuje przetwornik elektryczny?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj regulację pneumatycznego przetwornika temperatury dla dobranego zakresu

pomiarowego. Wyznacz charakterystykę przetwornika,

wyniki zapisz w tabeli pomiarowej.

Oblicz klasę dokładności oraz błędy pomiarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć przetwornik z układem zasilania,
2)  umieścić czujnik przetwornika w termostacie,
3)  ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika,
4)  ustawić zakres pomiarowy – wartość końcową,
5)  przeprowadzić obliczenia błędów (uchybów),
6)  przeprowadzić analizę wykonanych obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe ze źródłem ciśnienia regulowanego,

–

pneumatyczny przetwornik temperatury,

–

termostat z wyposażeniem,

–

kalkulator do obliczeń,

–

karty katalogowe przetwornika.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę przetwornika, wyniki pomiarów umieść w tabeli. Dla

wykonanych pomiarów określ klasę dokładności oraz błędy pomiarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Opornica dekadowa

Przetwornik
temperatury

+ –

zasilacz miliamperomierz

Rys. do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć przetwornik z układem zasilania,
2)  podłączyć opornicę dekadową,
3)  ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika,
4)  ustawić zakres pomiarowy – wartość końcową,
5)  przeprowadzić obliczenia błędów (uchybów),
6)  przeprowadzić analizę wykonanych obliczeń.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z zasilaczem i opornicą dekadową,

–

tabela pomiarowa charakterystyki termometru rezystancyjnego Pt100,

–

wkrętak,

–

karty katalogowe przetwornika,

–

kalkulator do obliczeń.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

dokonać regulacji przetwornika pneumatycznego?



określić zakres przetwarzania?



określić klasę dokładności przetwornika?



wykonać regulację przetwornika elektrycznego?



przeanalizować błędy?



1 2 3

5 6

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Przetworniki binarne

4.3.1. Materiał nauczania

Przetworniki binarne charakteryzuje dwustanowy poziom sygnału wyjściowego. Często

nazywane są

czujnikami zbliżeniowymi, gdyż ich działanie oparte jest na wykrywaniu

obiektu zbliżanego do czoła czujnika. W praktyce spotyka się

przetworniki zbliżeniowe

magnetyczne, pojemnościowe, indukcyjne, optoelektroniczne oraz ultradźwiękowe.
O wyborze rodzaju przetwornika decyduje:
–

rodzaj wykrywanego materiału,

–

szybkość przemieszczania się obiektu,

–

postać i parametry sygnału wyjściowego(rodzaj zasilania),

–

warunki środowiskowe pracy przetwornika (ciśnienie, temperatura, drgania).

Zasada działania czujników indukcyjnych

Część aktywna czujnika (rys. 9), składająca się z cewki i ferrytowego rdzenia kubkowego

generuje  w  otoczeniu  czoła  czujnika  zmienne  pole  elektromagnetyczne.  W  zbliżającym
się metalu  pole  to  wytwarza  prądy  wirowe,  co  powoduje  „obciążenie”  układu  oscylatora
i pogorszenie  jego  dobroci  co

wywołuje spadek amplitudy oscylacji. Zmiany te są śledzone

przez  komparator  i  przy  pewnej,  charakterystycznej  dla  danego  typu  czujnika  odległości
obiektu  metalowego  od  jego  czoła  następuje  skokowa  zmiana  napięcia  na  wyjściu
komparatora.  Sygnał  ten  wzmacniany  jest  przez  układ  wzmacniacza  do  poziomu,
umożliwiającego  bezpośrednie  sterowanie  elementów  wykonawczych  podłączonych
na wyjściu czujnika.

Rys. 9. Czujnik indukcyjny zbliżeniowy – zasada pracy [opracowanie własne]

Zasada działania czujników pojemnościowych

W czujniku pojemnościowym (rys. 10) powierzchnia elektrody oraz ekran tworzą

okładziny kondensatora. Zbliżanie przedmiotu (metalowego lub dielektryka) powoduje
zmianę pojemności czujnika. Parametry układu są tak dobrane, by

oscylacja pojawia

się w wyniku wzrostu pojemności, co zostaje wykryte przez komparator. Sygnał ten
wzmacniany jest do poziomu, umożliwiającego bezpośrednie sterowanie elementów
wykonawczych podłączonych na wyjściu czujnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 10.

Czujnik pojemnościowy [opracowanie własne]

Typy wyjść czujników

Wyjścia czujników zasilanych prądem stałym wykonywane są w konfiguracji NPN lub

PNP.  Każde  z  tych  dwóch  typów  wyjść  wykonywane  jest  z  funkcją  wyjściową  N  (NO,
zwierający)  lub  P  (NC,  rozwierający).  Część  czujników  wykonywana  jest  z  funkcją
wyjściową  NP  (komplementarną),wyposażoną  w  dwa  niezależne  wyjścia  N  i  P.  Sposób
połączenia tych czujników pokazano na rys. 11.

NPN

Rys. 11. Sposoby podłączeń czujników. U

= 24V DC [opracowanie własne]

Strefa działania przetwornika (czujnika)

Strefa nominalna Sn (rys.12), strefa działania, odległość zadziałania, czułość, odległość

przełączania to maksymalna

odległość obiektu wykrywanego od czoła czujnika, przy której

następuje jego zadziałanie.

Strefa rzeczywista Sr (uwzględnia fabryczną tolerancję wykonania wyrobu) zmierzona

przy określonej temperaturze 20

C i napięciu zasilania 24V musi spełniać warunek: 0,9 Sn<Sr

<  1,1  Sn.  Dla  czujników  indukcyjnych  pomiar  strefy  w  warunkach  fabrycznych  polega  na
zbliżaniu  w  osi  czujnika  do  jego  powierzchni  czołowej  kwadratowej  płytki  ze  stali  St37
o grubości 1mm  i o boku równym średnicy czujnika (dla czujników pojemnościowych strefę
wyznacza  się  w  stosunku  do  powierzchni  lustra  wody).  Strefa  robocza  Sw  gwarantuje
działanie  czujnika  w  pełnym  zakresie  temperatur i  napięć  zasilających  oraz  w  funkcji  czasu
eksploatacji i wynosi 0,81 Sn<Sw<1,21 Sn.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 12. Strefa załączania czujnika [opracowanie własne]

Zasada działania czujników magnetycznych

Czujniki te reagują na zmianę natężenia pola magnetycznego w swoim otoczeniu.

Zmiana  ta  może  być  wywołana  obecnością  magnesu  stałego  związanego  z  obiektem
lub pojawieniem się obiektu ferromagnetycznego w polu magnetycznym wytworzonym przez
magnes  związany  z  czujnikiem.  Warunkiem  stosowania  tych  czujników  jest  użycie
nieferromagnetycznej  przegrody  pomiędzy  obiektem  wykrywanym,  a  czujnikiem.  Jako
element  przełączający  stosuje  się  kontaktrony  o  czasie  załączania  0,2  do  0,5  ms  i  czasie
wyłączania 20 do 50 ms. Budowę takiego czujnika przedstawiono na rysunku 13.

Rys. 13. Czujnik magnetyczny [6, s. 79]

Zasada działania czujników optoelektrycznych

Są to urządzenia elektroniczne wykorzystujące

efekt przerwania strumienia światła

pomiędzy

elementem wysyłającym światło (emitery), a elementem przetwarzające światło

na sygnał elektryczny (odbiorniki). Emiterem może być: żarówka, dioda (LED), lampa (UV).
Odbiornikiem może być: fotoogniwo, fotodioda, fototranzystor lub fotorezystor. Budowę
takiego czujnika przedstawia rys. 14.

Rys. 14. Czujnik optoelektroniczny [6, s. 79]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Każdy z tych czujników może wysterować takie elementy jak: cewkę przekaźnika, cewkę

elektrozaworu lub można go użyć jako sygnału dwustanowego do sterownika
mikroprocesorowego.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz rodzaje przetworników (czujników) zbliżeniowych?
2.  Jak zasilane są czujniki zbliżeniowe?
3.  Z jakiej odległości reaguje czujnik zbliżeniowy?
4.  Na co reaguje czujnik pojemnościowy?
5.  Z czego zbudowany jest czujnik optoelektroniczny?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz odległość załączenia/wyłączenia oraz pobór prądu dla czujników indukcyjnego,

pojemnościowego i optoelektronicznego.

Rys. do ćwiczenia 1.

A – indukcyjny, B – pojemnościowy, C – optoelektroniczny

Tabela do ćwiczenia 1

Rodzaj czujnika

Odległość [mm]
Załączenia/wyłączenia

Pobór prądu przez czujnik
[mA]

Indukcyjny

Pojemnościowy

Optoelektroniczny

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć czujniki do układu zasilania,
2)  podłączyć wyjścia czujników z cewkami przekaźników lub elektrozaworów,
3)  podłączyć miliamperomierze do pomiaru poboru prądu przez czujniki,

Zasilanie 24VDC(+)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) pomierzyć za pomocą suwmiarki odległości kiedy następuje załączenie/wyłączenie

czujnika,

5) wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,
6) przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z regulowanym zasilaczem 24 VDC,

–

zestawy różnych czujników zbliżeniowych,

–

stanowisko do mocowania czujników,

–

miliamperomierz DC,

–

karty katalogowe czujników,

–

suwmiarka.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje czujników zbliżeniowych?



podłączyć czujnik?



dobrać czujnik do rozpoznawanego materiału?



wykonać sprawdzenie działania czujnika?



dokonać analizy zastosowania czujnika?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Przetworniki cyfrowe kąta

4.4.1. Materiał nauczania

Inkrementalne optyczne sensory położenia kątowego

Inkrementalne sensory optyczne wykorzystuje się do pomiarów położenia kątowego.

Elementem pomiarowym

jest tarcza obrotowa

z naniesionymi na brzegu kreskami. Podziałka

kreskowa  z  dwoma  rzędami  działek  kreskowych  przesuniętych  względem  siebie  o  ¼ okresu
podziałki  jest  odczytywana  poprzez  płytkę  odczytową.  Jeżeli  liczba  kresek  tarczy  wynosi
na przykład  36000,  to  przy  interpolacji  1:1024  otrzymuje  się  rozdzielczość  0,00001

. Na

rys. 15 przedstawiono cyfrowy pomiar przesunięć kątowych.

Rys. 15. Cyfrowy pomiar przesunięć kątowych: a) schemat działania układu, b) przebieg

napięć otrzymywanych z fotoelementów: 1 – tarcza pomiarowa, 2 – oświetlacz,
3 – fotoelementy, 4 – wzmacniacz, 5 – układ wykrywania kierunku obrotu i licznik,
6 – wycinek tarczy pokazany w powiększeniu [5, s. 96]

Pomiar przesunięcia uzyskuje się w wyniku zliczania impulsów, z których każdy oznacza

przejście pod elementem pojedynczej

działki. W większości zastosowań mierzone

są przesunięcia dwukierunkowe. Otrzymane impulsy mogą oznaczać przesunięcie w kierunku
uznanym  za  dodatni  i  wtedy  powinny  być  dodawane  do  zawartości  licznika,  mogą  też
oznaczać przesunięcie w kierunku przeciwnym (ujemnym) i wtedy powinny być odejmowane
od zawartości licznika. Do zliczania impulsów stosowane są liczniki rewersyjne, a impulsom
nadawany  jest znak plus  lub  minus, zależnie od kierunku przesunięcia. Dokładność pomiaru
przesunięć  kątowych  zależy  od  dokładności  naniesionych  działek  pomiarowych  i  nie  może
być lepsza niż

¼ działki elementarnej.

Przetworniki te występują pod nazwą enkoderów inkrementalnych, a ich konstrukcje

są indywidualnym rozwiązaniem producenta. Rozwój cyfrowych urządzeń do pomiaru

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przesunięć związany jest z wymaganiami stawianymi przez urządzenia sterowania
programowego: obrabiarki, roboty i inne.

Rys. 16. Przekrój enkodera inkrementalnego [opracowanie własne]

Enkoder (rys. 16) działa na bazie skanowania modułu elektroptycznego. Dysk z równo

położonymi obok siebie promieniowymi paskami i szczelinami obraca się pomiędzy źródłem
światła (LED), a odbiornikiem, który wytwarza sygnał prostokątny

proporcjonalny

do odebranego  sygnału  świetlnego.  Sygnał  prostokątny  jest  przetworzony  w  obwodzie
elektrycznym  enkodera.  Impulsy  z  dwóch  kanałów  enkodera  mogą  być  mnożone  przez
2 lub przez  4  dzięki  zastosowaniu  specjalnych  systemów  wykrywania  zboczy  impulsów.
Do wysyłania sygnałów stosuje się układ przedstawiony na rys. 17.

Rys. 17.

Obwód wyjściowy i zalecany obwód wejściowy RS422 [opracowanie własne]

Inkrementalne, magnetyczne sensory położenia kątowego

W sensorach magnetycznych na metalicznej warstwie podłoża naniesione jest zmienne

pole  magnetyczne  z  okresem  podziałki  około  0,2  mm.  Do  odczytu  służą  dwie  głowice
odczytujące,  przestawione  o  ćwierć  okresu  podziałki  i  dzięki  temu  wytwarzające  dwa
przesunięte  względem  siebie  w  fazie  sygnały  sinusoidalne.  Do  wykrywania  pól
magnetycznych  wykorzystuje  się  czujniki  Halla.  Liczba  inkrementów  na  jeden  obrót  zależy
od średnicy tarczy magnetycznej i może wynosić np. 2048 impulsów na obrót.

Sensory absolutnego położenia kątowego

Obrotowe tarcze kodowe stosowane w tych sensorach nazywamy koderami kątowymi,

a w połączeniu z przekładnią śrubową służą do pomiaru

absolutnych położeń kątowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tarcza kodowa ma naniesiony kod

– w postaci od 10 do 17 ścieżek, wzór kodu (rys. 18),

co odpowiada od 2

= 1024 do 2

= 131072 wartości kątowych na jeden obrót. Kodery

tarczowe przekazują zakodowane wartości kąta szeregowo.

Rys. 18.

Tarcza kodowa [5, s. 132]

Kodery wielotarczowe

Gdy kąty mierzone przekraczają 360

, a więc w zakresie więcej niż jeden obrót, jest

wymagane  sprzężenie  przez  przekładnie  redukcyjną  dwie  lub  więcej  tarcz  kodowych.
Pierwsza  tarcza  zawiera  trzy  tetrady  kodu  BCD,  a  przez  przekładnię  redukcyjną  napędzana
jest  druga  tarcza  z  następnymi  dwoma  tetradami.  Dzięki  temu  jednoznacznie  może  być
zakodowane  100  obrotów  po  1000  wartości  kątowych,  a  więc  100  000  pozycji.  Zwiększa
to bardzo znacznie rozdzielczość kodera.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaka jest zasada działania inkrementalnego sensora położenia kątowego?
2.  Co to jest enkoder?
3.  Czym różni się sensor inkrementalny od absolutnego?
4.  Gdzie stosuje się sensory cyfrowe?

Czym charakteryzuje się koder wielotarczowy?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zadając zmiany położenia kątowego odczytaj z koła podziałowego wskazania

przetwornika cyfrowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć przetwornik do układu zasilania,
2)  zamontować przetwornik na stanowisku,
3)  podłączyć układ odczytowy,
4)  pomierzyć  wartości  kątów  z  cyfrowego  układu  odczytowego  obracając  kołem  o  stałe

wartości kąta,

5) wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,
6) przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe,

–

przetwornik cyfrowego pomiaru kąta,

–

układ odczytowy,

–

karty katalogowe przetwornika,

–

koło pomiarowe.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje przetworników cyfrowych?



podłączyć przetwornik cyfrowy kąta?



dobrać przetwornik do pomiaru?



wykonać pomiary przetwornikiem?



dokonać analizy zastosowania czujnika?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Wzmacniacze pneumatyczne i elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

Wzmacniacze pneumatyczne

Podstawowym podzespołem każdego regulatora jest wzmacniacz. W przypadku

regulatorów  pneumatycznych  rozróżniamy  dwa  stopnie  wzmocnienia.  Pierwszy,  nazywany
wzmacniaczem  wstępnym  (rys.  19)  stanowi  zespół  typu  dysza  –  przysłona.  Wzmacniacz
wstępny  ma  zbyt  małą  moc,  aby  wysterować  siłownik  pneumatyczny  i  dlatego  sygnał
wyjściowy z tego wzmacniacza kierowany jest do wzmacniacza mocy.

= 120kPa

Rys. 19.

Wzmacniacz wstępny dysza – przysłona: P

- ciśnienie zasilania, P

– ciśnienie

kaskadowe, x – odległość przysłony od dyszy [5, s. 211]

Na rysunku 20 przedstawiono charakterystykę statyczną tego wzmacniacza.

Rys. 20. Charakterystyka statyczna wzmacniacza typu dysza – przysłona [5, s. 212]

Dla uzyskania odpowiedniej dokładności i czułości dynamicznej regulatora, okazało

się celowe wykorzystanie jedynie niewielkiego odcinka x charakterystyki statycznej. Przyjęto,
że punkt  pracy  wzmacniacza  sygnału  wyjściowego  powinien  znajdować  się w środku
charakterystyki,  dla  ciśnienia  60  kPa.  Na  rysunku  20  zaznaczono  wykorzystywaną  część
charakterystyki.  Zastosowany  wzmacniacz  umożliwia  uzyskanie  pełnego  zakresu  zmian
sygnału wyjściowego przy zmianach ciśnienia wejściowego układu dysza – przysłona o około
4 kPa. Taka zmiana ciśnienia uzyskiwana jest przy zmianach położenia dźwigni o około 0,005
mm.  Sygnał  wyjściowy  ze  wzmacniacza  dysza  –  przysłona  kierowany  jest  do wzmacniacza
mocy (rys. 21).

Punkt pracy wzmacniacza, czyli wartość ciśnienia odniesienia, wyznaczony jest

naciągiem sprężyny 6. Wydajność maksymalna wzmacniacza wynosi 50 l/min i jest osiągana
przy znacznym przesterowaniu (to jest przy zmianie ciśnienia wejściowego). Dla tego
wzmacniacza obowiązuje wzór:

= K P

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przy czym K jest wzmocnieniem, liczbowo równym stosunkowi powierzchni czynnej mieszka
1 do różnicy powierzchni czynnych mieszków 2 i 3. Dla tego wzmacniacza K= 20. Oznacza
to, że pełne wysterowanie następuje przy zmianach ciśnienia wejściowego w granicach
0–4 kPa.

Rys. 21. Schemat budowy mieszkowego wzmacniacza mocy: 1 – mieszek wejściowy,

2, 3 – mieszki wyjściowe, 4 – podwójny zawór kulowy, 5 – płytka ruchoma,
6 – sprężyna, 7 – otwór kapilarny, 8 – śruba regulacyjna [5, s. 224]

Wzmacniacze elektryczne

W układach automatyki do sterowania serwomechanizmami stosowane są zasadniczo

cztery typy wzmacniaczy: tyrystorowe, magnetyczne, tranzystorowe i elektromaszynowe.

Wzmacniacze magnetyczne (rys.22) wykorzystują nieliniowe zależności między indukcją

B,  a natężeniem  H  pola  magnetycznego  w  rdzeniu  ferromagnetycznym.  Dzięki  tej
nieliniowości  można  oddziaływać  na  chwilową  wartość  mocy  wydzielanej  w  obciążeniu
oraz mocy  pobieranej  ze  źródła  prądu  przemiennego.  Oddziaływanie  to  polega  na
regulowaniu  stałoprądowym  sygnałem  sterującym  punktu  wejścia  w  nasycenie  rdzenia,  na
którym nawinięte jest uzwojenie włączone w obwód prądu przemiennego. Najprościej można
powiedzieć, że wzmaciacz stanowi dławik nasycony, włączony w szereg ze źródłem napięcia
przemiennego.

Rys. 22

Schemat wzmacniacza magnetycznego: U

– napięcie sterujące, U

– napęcie

zasilające [5, s. 293]

Podstawową wadą tych wzmacniaczy jest duży ciężar i wymiary oraz wysoka cena.

Został on wyparty przez inne typy wzmacniaczy.

Wzmacniacze elektromaszynowe są to obcowzbudne prądnice prądu stałego, w których

dzięki odpowiedniej konstrukcji i sprzężeniom zwrotnym uzyskano silną zależność między

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

prądem wzbudzenia (sterującym)

a napięciem wyjściowym. Wadą tych wzmacniaczy jest

duży hałas, duże wymiary i obecność części ruchomych. Zostały one wyparte przez
wzmacniacze tyrystorowe.

Wzmacniacze tranzystorowe stanowią najbardziej rozpowszechnioną grupę wzmacniaczy

prądu stałego małej i średniej mocy. Ich zaletą jest łatwość uzyskiwania dużego wzmocnienia,
małe  stałe  czasowe,  małe  wymiary,  duża  sprawność  oraz  łatwość  formowania  pożądanej
charakterystyki.  Stosowane  są  dwa  typy  układów  wzmacniaczy:  liniowe  i  kluczowane.  Na
rys.  23  przedstawiono  trzy  warianty  tranzystorowego  wzmacniacza  mocy

steruących

silnikiem prądu stałego.

Rys. 23.

Trzy  warianty  końcowego  stopnia  tranzystorowego  wzmacniacza  mocy:
a)  jednokierunkowe  sterowanie  prędkością,  b)  układ  typu  H  mostkowy
sterowania  nawrotnego  z  jednym  zasilaniem,  c)  układ  typu  T sterowania
nawrotnego (z zastosowaniem dwóch zasilaczy) [5, s. 295]

Wzmacniacze tyrystorowe

Tyrystory są elementami elektronicznymi przeznaczonymi do pracy w charakterze kluczy

jednokierunkowych  (co  było  zawarte  w  jednostce  731[01].01.04).  Zmieniając  kąt  zapłonu
tyrystora  można  regulować  wartość  średnią  prądu,  a  więc  wartość  średnią  momentu
napędowego  silnika.  Bardzo  rzadko  są  stosowane  układy  jednofazowe,  z powodu  dużych
tętnień  prądu  wirnika.  Do  sterowania  dużymi  mocami  stosowane  są  układy  trójfazowe.  Na
rysunku 24 przedstawiono schemat ideowy układu sterowania silnikiem dwufazowym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 24.

Tyrystorowy układ dwufazowy sterowania silnikiem [5, s. 300]

Falowniki (przemienniki częstotliwości)

Jednym z głównych zastosowań tyrystorów oraz tranzystorów w układach sterowań

silnikami  są  falowniki  zwane  przemiennikami  częstotliwości.  W  falownikach  przechodzenie
tyrystorów  ze  stanu  przewodzenia  do  stanu  blokowania  może  nastąpić  tylko  przy
wymuszonym  wytworzeniu  na  nich  napięcia  ujemnego.  Proces  ten  nazywa  się  komutacją
wymuszoną.  Praca  falownika  polega  na  cyklicznym  przyłączaniu  odbiornika  do  źródła
napięcia  stałego,  przy  czym  poszczególne  tyrystory,  spełniające  rolę  łączników,  pracują
w trzech stanach: przewodzenia,  blokowania  i zaworowym. Napięcie przemienne  na wyjściu
falownika  o  regulowanej  częstotliwości  uzyskuje  się  przez  zmianę  czasu  pracy  tyrystorów
w stanie  przewodzenia.  Falowniki  realizują  takie  funkcje  jak  regulacja  prędkości  obrotowej,
czasu  i  rodzaju  przyśpieszenia  oraz  hamowania,  posiadają  szereg  wejść  sterujących
umożliwiajacych  pracę  silnika  w  złożonych  układach  automatyki.  Falowniki  mogą  być
zasilane  napięciem  jedno  lub  trójfazowym.  Na  rys.  25  przedstawiono  sposób  podłączenia
falownika do silnika indukcyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 25.

Podłączenie

falownika

produkcji

[OMRON]

silnika

indukcyjnego. Dla zasilania jednofazowego zacisk L3 pozostaje
wolny

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Na jakiej zasadzie działa wzmacniacz typu dysza – przysłona?
2.  Do czego służy pneumatyczny wzmacniacz mocy?
3.  Jakie znasz wzmacniacze elektryczne?
4.  Dlaczego nie stosuje się wzmacniaczy magnetycznych i elektromaszynowych?
5.  Jakie znasz wzmacniacze tranzystorowe?
6.  Kiedy stosuje się wzmacniacze tyrystorowe?
7.  Jakie zadanie spełnia falownik?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz charakterystykę wzmacniacza kaskadowego – zależność ciśnienia wyjściowego

w funkcji odległości przysłony od dyszy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 1.

do ćwiczenia 1. Schemat stanowiska pomiarowego:1 – stabilizator ciśnienia,
2 – manometr zakres do 0,1 MPa, 3 – opór stały (wymienny), 4 – manometr zakres
do 0,1 MPa, 5 – dysza z wymiennymi końcówkami, 6 – pokrętło

Rys. 2.

do ćwiczenia 1. Przekrój stanowiska do badania wzmacniacza dysza – przysłona:
1 – dysza wymienna, 2 – korpus, 3 – opór stały, 4 – głębokościomierz mikrometryczny,
5 – wkręty, 6 – końcówka podłączenia ciśnienia, 7 – końcówka wyjściowa, 8 – komora
kaskadowa

Tabela do ćwiczenia 1

Średnica oporu stałego

Średnica dyszy

Odległość przysłony od
dyszy

MPa

0,10
0,15
0,20
...
0,40

0,5

...

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  połączyć stanowisko zgodnie ze schematem,
2)  podłączyć i wyregulować ciśnienie zasilania na 120kPa,
3)  podłączyć manometr odczytowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4)  pomierzyć wartości ciśnień kaskadowych dla różnych dysz,
5)  wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,
6)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe,

–

źródło ciśnienia zasilania,

–

zestaw manometrów kl.0,5 zakres do 0,1 MPa,

–

zestawy dysz i oporów wymiennych,

–

karty katalogowe wzmacniacza.

Ćwiczenie 2

Połącz układ do badania wzmacniacza mocy zgodnie ze schematem. Wkrętem zerującym

wzmacniacza ustaw

∆

p = 0.Wyznacz charakterystykę wzmacniacza, a wyniki wpisz do

załączonej tabeli. Określ klasę wzmacniacza według wzoru:

100%

Δp

max

⋅

gdzie:

∆

max

– spadek ciśnienia

∆

p przy ciśnieniu wejściowym p = p

max.

Rys.

do ćwiczenia 2. 1 – stabilizator ciśnienia Q = 200 l / h, 2 – stabilizator ciśnienia o małym
strumieniu objętości, 3 – zawór, 4 – badany wzmacniacz mocy, 5 – manometr 0,15 MPa,
6 – manometr 0,1 MPa, 7 – rotametr laboratoryjny do 200 l/h, 8 – manometr
hydrostatyczny

Tabela do ćwiczenia 2

Strumień objętości
Q

Ciśnienie wejściowe
p

Spadek ciśnienia

∆

l / h

MPa

0
50
100
150
200

0,02

...

0,06

...

0,1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  połączyć stanowisko zgodnie ze schematem,
2)  stabilizatorem 1 wyregulować ciśnienie zasilania na wartość 140 kPa,
3)  stabilizatorem 2 ustawić ciśnienie p

= 0,02 MPa,

4) podłączyć manometr odczytowy 8,
5) wkrętem zerującym ustawić

∆

p = 0,

6) otwierając zawór 3 ustawić wartości strumienia objętości według tabeli i odczytywać

∆

7) wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,
8) przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe,

–

źródło ciśnienia zasilania,

–

zestawy manometrów kl. 0,5 zakres do 0,1 MPa,

–

stabilizatory ciśnienia,

–

rotametr,

–

manometr hydrostatyczny,

–

karty katalogowe wzmacniacza.

Ćwiczenie 3

Podłącz falownik do silnika indukcyjnego zgodnie ze schematem fabrycznym falownika,

regulując częstotliwość falownika wyznacz charakterystykę układu sterownia. Do pomiaru
prędkości obrotów silnika użyj stroboskopu. Wyniki umieść w tabeli pomiarowej.

Rys. do ćwiczenia 3

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć falownik zgodnie ze schematem,
2)  podłączyć silnik trójfazowy 0,25 kW do falownika,
3)  podłączyć potencjometr lub źródło częstotliwości do regulacji obrotów silnika,
4)  zadawać różne prędkości silnika,
5)  pomierzyć prędkość silnika stroboskopem,
6)  wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,
7)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z falownikiem,

–

silnik trójfazowy o mocy 0,25 kW,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

karty katalogowe,

–

stroboskop.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje wzmacniaczy pneumatycznych?



dobrać zakres wzmacniacza pneumatycznego mocy?



opisać rodzaje wzmacniaczy elektrycznych?



scharakteryzować zastosowanie falownika?



uruchomić falownik z silnikiem?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Regulatory bezpośredniego działania

4.6.1. Materiał nauczania

Regulatory bezpośredniego działania

Są to regulatory pracujące bez energii pomocniczej. W regulatorach tego typu czujnik,

nastawnik i urządzenie napędowe stanowią całość. Rozróżniamy następujące rodzaje tych
regulatorów:
–

ciśnienia,

–

temperatury,

–

poziomu,

–

przepływu.

Regulatory ciśnienia bezpośredniego działania

Stosowane są do utrzymywania stałej wartości ciśnienia gazów lub cieczy. Ciśnienie

może  być regulowane przed  lub za zaworem nastawczym.  Konstrukcja regulatora jest oparta
na elemencie  membranowym,  który  łączy  w  sobie  funkcje członu  pomiarowego  i  siłownika.
Ciśnienie  regulowane  doprowadzone  pod  membranę  2  –  wytwarza  siłę  działającą  do góry.
Siła  pochodząca  od  sprężyny  3  skierowana  jest  przeciwnie.  Grzybek  zaworu  ustala
się w położeniu, w którym obie siły się równoważą. Zmieniając naciąg sprężyny 3 zmieniamy
wartość  zadaną  ciśnienia.  Na  rysunku  26  przedstawiono  schemat  regulatora  ciśnienia
pobierającego sygnał mierzony

za zaworem.

Rys. 26.

Schemat działania regulatora ciśnieniowego: 1 – grzybek zaworu
dwugniazdowego, 2 – membrana regulatora, 3 – sprężyna nastawnika
wartości zadanej [5, s. 185]

Regulator ten jest regulatorem proporcjonalnym (typu P). Zakres proporcjonalności

ma wartość  stałą,  równą  10%.  W  tej  grupie  regulatorów  występują  również  regulatory,
w których  zamiast  sprężyny  zastosowano  ciężarek  zapewniający  ruch  powrotny  grzybka
zaworu. Regulator tego typu ma charakterystykę typu I (całkującą). Wartość zadana określona
jest  wartością  ciężarka  zawieszonego  na  dźwigni.  W  urządzeniach  chłodniczych  stosuje
się automatyczne  zawory  rozprężne  (rys.  27),  których  zadaniem  jest  utrzymywanie  stałej
wartości ciśnienia.  Elementem regulacyjnym  jest zawór igłowy  napędzany przez  membranę.
Gdy  ciśnienie  w  parowniku  urządzenia  chłodniczego  będzie  większe  od  wartości  zadanej,
wówczas  pod  działaniem  tego  ciśnienia  membrana  zostanie  wygięta  do  góry,  przymykając
zawór  igłowy  co  zmniejszy  przepływ  czynnika  chłodniczego.  Regulatory  ciśnienia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

bezpośredniego działania znajdują również zastosowanie do

stabilizacji ciśnienia

w pneumatycznych urządzeniach automatyki.

Rys. 27.

Schemat automatycznego zaworu rozprężnego: 1 – zawór igłowy,
2 – membrana, 3 – sprężyna zwrotna, 4 – nastawnik wartości zadanej
[5, s. 186]

Regulatory temperatury bezpośredniego działania

Podobnie jak regulatory ciśnienia, regulatory te pobierają energię z procesu

regulowanego za pośrednictwem czujnika pomiarowego. Czujnikiem regulatora jest
termometr manometryczny (rys. 28).

Rys. 28. Regulator temperatury bezpośredniego działania: 1 – spirala termometryczna, 2 – mieszek

przegrzania, 3 – kapilara, 4 – mieszek wykonawczy, 5 – pokrętło, 6 – nakrętka,
7 – trzpień gwintowany, 8 – wskaźnik, 9 – sprężyna, 10 – korpus zaworu, 11 – dławnica,
12 – grzybek zaworu, 13 – gniazdo zaworu, 14 – wkładka teflonowa, 15 – popychacz
mieszka [5, s. 181]

Spirala termometryczna zanurzona jest w czynniku regulowanym. Pod wpływem zmian

temperatury zmienia się objętość cieczy manometrycznej

która działa na mieszek

wykonawczy powodując zmianę położenia grzybka zaworu. Do nastawiania wartości zadanej
służy pokrętło z naniesioną podziałką. Zawór tego regulatora montowany jest w rurociągu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

doprowadzającym  gorącą parę  lub ciecz. Charakterystyka regulatora podobnie  jak regulatora
ciśnienia  jest  typu  P  (proporcjonalny).  Regulator  ma  zabezpieczenie  przed  uszkodzeniem
mieszków  przy  przegrzaniu  czujnika.  Zakres  zmian  temperatury  regulowanej,  powodujący
pełne  przesterowanie  zaworu  wynosi  w  zależności  od  wykonania  od  6  do  8

C. Proste

regulatory  bezpośredniego  działania  znalazły  szerokie  zastosowanie  w  motoryzacji
(termostaty),  w  lodówkach,  w  zaworach  przygrzejnikowych  instalacji  centralnego
ogrzewania.  W  tych  regulatorach  czujnikiem  jest  mieszek  sprężysty,  wypełniony  częściowo
cieczą,  a  częściowo  parą  nasyconą.  Bardzo  często  czujniki  wypełnia  się  gazem
propan – butan.

Regulatory poziomu bezpośredniego działania

Regulator z komorą pływakową (rys. 29)

jest przeznaczony do regulacji poziomu wody

w zbiornikach ciśnieniowych o ciśnieniu maksymalnie

do 0,25 MPa. Nastawiając regulator

należy dobrać długość dźwigni przekazującej sygnał od pływaka na zawór.

Rys. 29. Schemat regulatora poziomu: 1 – pływak, 2 – dźwignia, 3 – cięgno, 4 – dźwignia,

5 – zawór, 6 – zbiornik z regulacją poziomu [5, s. 168]

Regulator strumienia (przepływu)

Działanie tego regulatora (rys. 30) polega na utrzymywaniu stałej, zadanej wartości

spadku  ciśnienia  na  zwężce  pomiarowej.  Wartość  zadaną  nastawia  się  zmieniając  naciąg
sprężyny  zwrotnej.  Wartości  różnic  ciśnień  wynoszą  zależnie  od  wybranego  zakresu
5  do  20  kPa,  10  do  40  kPa  lub  30  do  120  kPa.  Podobnie  jak  pozostałe  regulatory  jest  to
regulator proporcjonalny.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 30.

Regulator strumienia bezpośredniego działania: 1 – korpus zaworu, 2 – zespół
grzybka, 3 – membrana, 4 – korpus górny, 5 – sprężyna zwrotna, 6 – śruba
nastawcza, 7 – zespół nastawczy, 8 – wskaźnik położenia, 9 – zwężka pomiarowa
[5, s. 187]

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Czy regulatory bezpośredniego działania wymagają zasilania?
2.  Jakie znasz regulatory bezpośredniego działania?
3.  Co jest elementem pomiarowym w regulatorze ciśnienia?
4.  Na jakiej zasadzie działa regulator temperatury bezpośredniego działania?
5.  Jaką charakterystykę mają regulatory bezpośredniego działania?
6.  Co jest elementem pomiarowym w regulatorze poziomu?
7.  Na jakiej zasadzie działa regulator strumienia?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zainstaluj regulator temperatury bezpośredniego działania na stanowisku pomiarowym

przedstawionym na schemacie. Wyznacz charakterystyki statyczne dla różnych nastaw
wartości zadanej zmieniając temperaturę czujnika w zbiorniku oraz mierząc przepływ wody
lub powietrza rotametrem. Wyniki wpisz do tabeli pomiarowej.

regulator temperatury

czujnik

rotametr

zbiornik

czynnik

Rys. do ćwiczenia 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela do ćwiczenia 1

Wartość zadana

Temperatura czujnika w termostacie
T

Wskazanie rotametru Q

l / min

40
41
42
…
46

50
…

60
…

Po wyznaczeniu charakterystyki regulatora temperatury wykonaj wykresy zależności

Q = f(T).

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zainstalować regulator temperatury na stanowisku,
2)  umieścić czujnik w termostacie,
3)  ustalić przepływ powietrza lub wody przez rotametr,
4)  zmieniać wartości zadane zgodnie z tabelą,
5)  wpisać do tabeli pomiarowej wyniki pomiarów,
6)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów,
7)  wykonać wykresy charakterystyk regulatora.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z przepływem czynnika,

–

termostat z osprzętem,

–

badany regulator temperatury bezpośredniego działania,

–

karty katalogowe regulatora.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę dynamiczną regulatora z ćwiczenia 1 metodą skoku

jednostkowego dla skoku 40

C na 20

C na stanowisku według powyższego schematu. Pomiar

czasu odpowiedzi na skok jednostkowy wykonaj stoperem. Uzyskane wyniki należy nanieść
na wykres i dokonać analizy przebiegu czasowego.

Tabela do ćwiczenia 2

Strumień objętości
[ l / min ]

Czas [ sek ]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zainstalować regulator temperatury na stanowisku,
2)  umieścić czujnik w termostacie,
3)  ustalić przepływ powietrza lub wody przez rotametr,
4)  przenieść czujnik do temperatury otoczenia włączając stoper,
5)  wyniki pomiarów wpisać do tabeli pomiarowej,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6) przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów,
7) wykonać wykresy charakterystyk regulatora.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z przepływem czynnika,

–

stoper,

–

termostat z osprzętem,

–

badany regulator temperatury bezpośredniego działania,

–

karty katalogowe regulatora.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje regulatorów bezpośredniego działania?



dobrać zakres regulacji regulatorem temperatury?



ustawić wartość zadaną regulatora?



scharakteryzować zastosowanie regulatorów?



posłużyć się katalogami regulatorów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Regulatory pneumatyczne i elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

Regulatory pneumatyczne

Regulatory pneumatyczne

zostaną opisano na przykładzie regulatorów mieszkowych,

gdyż stanowią najbardziej rozpowszechnioną grupę regulatorów. Struktury i charakterystyki
regulatorów

przedstawiono

jednostce

modułowej

731[01].Z1.01

opierając

się na zagadnieniach już opanowanych, zostanie przedstawiona budowa i działanie regulatora
mieszkowego PID (rys. 31). Podstawą regulatora jest równoważnia pneumatyczna ze znanym
już  wzmacniaczem  dysza  –  przysłona  (kaskada  pneumatyczna).  Na  równoważnię
pneumatyczną  działają  siły  pochodzące  od  czterech  mieszków.  Do  dwóch  mieszków
środkowych  1,  2  są

doprowadzone ciśnienia od wartości zadanej i wielkości regulowanej

z przetwornika pneumatycznego. Przy zmianie uchybu regulacji wywołanej różnicą pomiędzy
wartością  zadaną,  a  wielkością  regulowaną  -  zmienia  się  ciśnienie  kaskadowe
we wzmacniaczu  wstępnym.  To  ciśnienie  jest  kierowane  do  wzmacniacza  mocy
oraz do mieszków  sprzężeń  zwrotnych,  które  to  elementy

kształtują charakterystykę

regulatora.

Rys. 31. Schemat pneumatycznego regulatora proporcjonalno – całkująco – różniczkującego (PID)

systemu PNEFAL 2: 1 – równoważnia czteromieszkowa, 2 – człon proporcjonalno -
różniczkowy, 3 – wzmacniacz 1:1, 4 – przekaźnik bocznikujący dławik T

przy

sterowaniu ręcznym, 5 – przełącznik wprost - odwrotnie, 6 – wskaźnik
dwuwskazówkowy stacyjki, 7 – przełączik A / R, 8 – nastawnik wartości zadanej,
9 – nastawnik sterowania ręcznego [5, s. 230]

W równoważni czteromieszkowej mieszki 1 i 2 to mieszki wytworzenia uchybu regulacji,

mieszki  3  i  4  mieszki  sprzężeń  zwrotnych.  W regulatorze  PID  w  stanie ustalonym ciśnienia
w mieszkach  1  i  2  są  sobie  równe.  Załóżmy,  że  przy  istnieniu  stanu  ustalonego  nastąpi
skokowy wzrost ciśnienia wejściowego. Spowoduje to zbliżenie przysłony do dyszy i wzrost
ciśnienia  kaskadowego,  czyli  wyjściowego.  To  ciśnienie  wyjściowe  po  przejściu  przez
wzmacniacz  mocy  kierowane  jest  do mieszków  sprzężeń  zwrotnych,  które  we  współpracy
z dławikami  i  komorami  pojemnościowymi  kształtują  strukturę  sygnału  wyjściowego
z regulatora. Regulator współpracuje ze stacyjką sterowania A/R, na której ustalamy poziomy
wartości zadanej oraz ręcznego sterowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W systemie PNEFAL 2 dodatkowe wyposażenie regulatora ogranicza się do stacyjki

manipulacyjnej  i  wskaźników  lub  rejestratorów  dołączonych  do  regulatora  z  zewnątrz.
Stacyjka  zawiera  dwa  zadajniki  ciśnienia  ;  jeden  do  nastawienia  wartości  zadanej,  a  drugi
do wytworzenia  sygnału  sterowania  ręcznego  oraz  przełącznik  automatyka  –  ręczne
i dwuwskazówkowy  miernik  do  pomiaru  ciśnienia  wyjściowego.  Wartości  ciśnień  zadanych
regulujemy  pokrętłami.  Ciśnienia  kierowane  do  regulatora  są  oczywiście  w  grupie  ciśnień
standardowych  to  jest  20  do  100 kPa.  Poza  omówionym  regulatorem  o  strukturze  PID
występują  również  regulatory  oparte  na  równoważni  mieszkowej  o  charakterystyce
P oraz PD. Struktura regulatora PID jest najbardziej skomplikowana.

Regulatory elektroniczne

Dzięki zastosowaniu do budowy regulatorów nowoczesnych elementów elektronicznych

regulatory

charakteryzują

się

bardzo

dobrymi

parametrami

technicznymi

i eksploatacyjnymi. Rozwój techniki mikroprocesorowej i elementów scalonych spowodował
znaczną poprawę jakości regulatorów oraz możliwości współpracy z systemami
komputerowymi. Regulatory elektroniczne budowane są w wersji analogowej z wyjściowym
sygnałem prądowym lub napięciowym oraz w wersji cyfrowej z konfiguracją komputerową.

Konstrukcje i odmiany tych regulatorów mają budowę aparatową z umieszczoną płytą

czołową spełniającą funkcje zadajnika, wskaźnika uchybu oraz przycisków

którymi

parametryzuje się regulator. W tylnej części obudowy jest listwa zaciskowa

do której

podłączone są sygnały wejściowe oraz wyjściowe regulatora. Z reguły takie regulatory mają
charakterystyki PID i możliwości wyboru rodzaju regulacji.

Budowa regulatora MRC – 03

Regulator MRC-03 jest urządzeniem zbudowanym na bazie mikroprocesora INTEL

80C88. W części powiązań obiektowych regulator posiada:
–

4 oddzielone galwanicznie wejścia dla sygnałów z regulowanego obiektu,

–

2 wejścia dwustanowe umożliwiające przyjęcie rozkazu zewnętrznego, realizującego
przejęcie regulatora na poziom bezpieczny, ustawienie wyjścia analogowego na zadanej
wartości oraz wyłączenie wyjścia trójstanowego,

–

przyjęcie sygnału AUTOMATYKA/RĘKA z zewnętrznej stacyjki,

–

2 wyjścia dwustanowe do sygnalizowania: rodzaju pracy "A" lub "R" i przejęcia
regulatora na POZIOM BEZPIECZNY,

–

1 wyjście trójstanowe do sterowania elementem wykonawczym i/lub 1 wyjście
trójstanowe do sygnalizacji ograniczenia dolnego i górnego,

–

1 wyjście ciągłe analogowe do sterowania elementem wykonawczym 0 – 5mA
lub 4–20mA.
Płyta czołowa regulatora (rys. 32) wyposażona jest w przyciski, linijkę diodową,

wskaźniki  cyfrowe  oraz  diody  sygnalizacyjne.  Płyta  spełnia  jednocześnie  rolę  stacyjki
sterowania  oraz  panelu  operatorskiego.  Stacyjkę  sterowania  tworzą  wyświetlacze  cyfrowe
"A" i "C" oraz znajdująca się pomiędzy nimi linijka diodowa, przyciski koloru żółtego i diody
sygnalizacyjne.  Stacyjka  umożliwia  wybór rodzaju pracy  regulatora:  AUTOMATYKA  LUB
RĘKA.  Wyboru  rodzaju  pracy  dokonuje  się  przyciskiem  AUTOMAT/RĘKA,  znajdującym
się w górnej części płyty czołowej. Stan pracy, w jakim znajduje się regulator sygnalizowany
jest  przez  diodą  z odpowiednim  opisem  "A"  lub  "R".  W  rodzaju  pracy  AUTOMATYKA
sterowanie elementem wykonawczym odbywa się automatycznie (reguluje regulator) według
ustalonego  w trakcie  konfigurowania  algorytmu  i  parametrów  regulacji.  W  rodzaju  pracy
RĘKA sterowanie elementem wykonawczym odbywa się ręcznie przyciskami "+" i "-" koloru
żółtego  umieszczonymi  w  górnej  części  płyty  czołowej  regulatora.  Regulator  wtedy  nie
reguluje  i  jest  w  trybie  śledzenia.  W  obu  rodzajach  pracy  jako  wskaźniki  wielkości

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

mierzonych  lub  regulowanych  służą  linijka  diodowa  "B"  oraz  wyświetlacze  cyfrowe
"A" i "C".  Wyboru  wskazań  wielkości  mierzonych  na  dany  wskaźnik  dokonuje  się  podczas
konfigurowania  regulatora.  Regulator  można  konfigurować  ręcznie  korzystając  z  adresów
zawartych w DTR, lub komputerowo korzystając z oprogramowania HOST.EXE.

Rys. 32. Płyta czołowa regulatora MRC–03

[DTR regulatora]

Rys. 33. Płyta tylna regulatora cyfrowego MRC– 3

[DTR regulatora]

Na płycie tylnej regulatora (rys. nr 33) umieszczona jest listwa zaciskowa, służąca

do podłączenia zasilania, sygnałów wejściowych i wyjściowych. Do zacisków można
podłączyć przewody o maksymalnym przekroju 1,5 mm

. Dodatkowo wyprowadzone jest

gniazdo RJ-6 do podłączenia interfejsu RS485. Podczas konfigurowania regulatora można
wybrać opcję regulacji stałowartościowej, kaskadowej lub nadążnej.

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co jest podstawowym elementem regulatora mieszkowego?
2.  Jak realizowane są nastawy regulatora pneumatycznego?
3.  Jaki jest wzmacniacz wstępny w regulatorze pneumatycznym?
4.  Jakie są sygnały wejściowe i wyjściowe z regulatora elektronicznego?
5.  Jak konfiguruje się strukturę regulatora elektronicznego?
6.  Co jest wyświetlane na płycie czołowej regulatora elektronicznego?
7.  Jakie rodzaje regulacji można ustawiać na regulatorze elektronicznym?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie1

Wykreśl i przeanalizuj wykres z rejestratora i określ wartości jak dla regulatora PID.

Wykonaj podobne pomiary dla innych nastaw regulatora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys.

do ćwiczenia 1, 1 – badany regulator PID, 2 – stabilizator ciśnienia, Q = 200l/ h,
3 – stabilizator ciśnienia o małym strumieniu objętości, 4 – manometry,
5 – rejestrator sygnału pneumatycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zainstalować regulator mieszkowy PID na stanowisku,
2)  ustalić ciśnienie zasilania,
3)  ustalić ciśnienie regulowane,
4)  ustalić nastawy regulatora,
5)  wykonać skok ciśnienia regulowanego,
6)  zarejestrować odpowiedź regulatora,
7)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe,

–

rejestrator pneumatyczny,

–

karta katalogowa regulatora pneumatycznego.

Ćwiczenie 2

Przeprowadź badanie regulatora PID dla różnych nastaw.

komputer

rejestrator

źródła
prądowe

opornik
wzorcowy 100

Ω

Rys. do ćwiczenia 2

Regulator
MRC –
03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zainstalować regulator PID na stanowisku,
2)  podłączyć źródła prądowe do odpowiednich zacisków regulatora,
3)  ustalić sygnały wejściowe prądowe,
4)  ustalić nastawy regulatora komputerowo,
5)  wykonać skok prądowy,
6)  zarejestrować odpowiedź regulatora,
7)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe,

–

zestaw komputerowy z oprogramowaniem,

–

opornik wzorcowy 100

Ω

–

rejestrator elektryczny z regulowanym posuwem taśmy,

–

karta katalogowa regulatora.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje regulatorów mieszkowych?



scharakteryzować zasady uruchomienia regulatora mieszkowego?



ustawić poziom sygnału wyjściowego regulatora?



scharakteryzować budowę regulatora elektronicznego?



skonfigurować komputerowo regulator?



wykonać zapis sygnału wyjściowego z regulatora?



posługiwać się katalogami regulatorów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Regulatory dwustanowe

4.8.1. Materiał nauczania

Istota regulacji dwustanowej polega na tym, że na wyjściu regulatora otrzymujemy

sygnał,  który  może  przyjmować  tylko  dwa  stany  0  i  1.  Stanom  tym  odpowiada  załączanie
i wyłączanie dopływy energii do obiektu. Najprostszym regulatorem dwustanowym  jest taki,
w  którym  element  o  charakterystyce  przekaźnikowej  jest  przełączany  sygnałem  uchybu
(rys. 34).

Rys. 34.

Schemat blokowy regulatora dwustanowego: 1 – nadajnik wartości
zadanej, 2 – element dwustanowy, h – szerokość pętli histerezy [5, s. 234]

Regulacja dwustanowa, z uwagi na bardzo prostą budowę układu, znalazła szerokie

zastosowanie zarówno w urządzeniach przemysłowych, jak i w urządzeniach gospodarstwa
domowego. Do najczęściej stosowanych regulatorów dwustanowych należą: regulatory
temperatury, ciśnienia oraz poziomu.

Regulatory dwustanowe temperatury

Najbardziej powszechny jest regulator bimetaliczny (zwany termostatem) stosowany

w żelazkach. Na rysunku 35 przedstawiono budowę tego regulatora.

Rys. 35.

Regulator bimetaliczny (żelazkowy): 1 – taśma bimetalowa, 2 – zestyk, 3 - śruba
regulacyjna, A – materiał o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej,
B – materiał o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej [5, s. 235]

W technice chłodniczej szerokie zastosowanie ma regulator dwustanowy, którym jest

termostat parownikowy (rys. 36).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jego działanie oparte jest na zmianie ciśnienia w zamkniętym układzie cieczy

manometrycznej poddanej działaniu temperatury. Na rys. 37 przestawiono zastosowanie tego
termostatu do regulacji w układzie chłodniczym.

Rys. 37. Schemat układu chłodniczego z zastosowanym termostatem parownikowym:

1 – sprężarka, 2 – skraplacz, 3 – parownik, 4 – zawór rozprężny, 5 – termostat
[6, s. 118]

regulacji

dwustanowej

stosowane

są

również

regulatory

wychyłowe

z logometrycznym ustrojem pomiarowym (rys.38). Sygnałem wejściowym w tych
regulatorach jest zmiana rezystancji z czujników Pt 100, a sygnałem wyjściowym styki
przekaźnika. Regulator ten może działać jako dwu - lub trzystanowy.

Rys. 36. Termostat parownikowy typu zamkniętego:

1 – czujnik, 2 – rurka kapilarna, 3 – mieszek,
4 – dźwignia, 5 – dźwignia, 6 – oś podparcia,
7  –  sprężyna,  8  –  popychacz,  9  –  sprężyna,
10,  11  –  styki,  12  –  śruba  nastawcza
temperatury,  13  –  sprężyna,  14  –  śruby,
15 – pokrętło [6, s. 129]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 38. Schemat budowy regulatora trójstanowego: 1 – wskazówka,

2 – blaszka aluminiowa, 3, 4 – czujniki [5, s. 236]

W powyższym regulatorze wskazówka stanowi element logometrycznego ustroju

pomiarowego.

Wychylenie

wskazówki

wywołane

zmianą

temperatury

powoduje

przemieszczenie blaszki aluminiowej i wejście jej w szczeliny czujników, którymi są cewki
generatora wielkiej częstotliwości. Powoduje to wygaszenie drgań i załączenie jednego
z cewek przekaźników.

Regulatory dwustanowe ciśnienia

Regulatory te mogą mieć konstrukcje mieszkową lub membranową. Na rysunku 39

przedstawiono przekrój regulatora ciśnienia stosowanego do regulacji ciśnienia w hydroforze.
Podobne regulatory są montowane na zbiornikach sprężarek regulując ciśnienie poprzez
załączanie i wyłączanie silnika sprężarki.

Rys. 39. Przekrój regulatora dwustanowego ciśnienia: 1 – styki przednie,

2 – styki tylne, 3 – styki ruchome, 4 – sprężyna stykowa, 5 – sprężyna
ciśnieniowa, 6 – sprężyna przerzutowa, 7 – nakrętka regulacyjna,
8 – wkręt regulacyjny, 9 – nakrętka kontrująca, 10 – membrana,
11 – trzpień, 12 – dźwignia [6, s. 127]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Regulatory dwustanowe poziomu

W regulatorach poziomu (rys. 40) elementem pomiarowym jest pływak, który

z przeciwnej  strony  zakończony  jest  magnesem.  Naprzeciw  tego  magnesu  znajduje  się  drugi
magnes,  który  przemieszcza  się  pod  wpływem  oddziaływania  biegunów  jednoimiennych.
Ruch drugiego magnesu przeniesiony jest na mikrowyłączniki, albo na styki kontaktronowe.

Rys. 40.

Elektryczny regulator dwustanowy poziomu ERH – 04 [opracowanie własne]

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaki jest sygnał wyjściowy regulatora dwustanowego?
2.  Jakie czujniki są stosowane w regulatorach dwustanowych temperatury?
3.  Gdzie stosuje się regulatory dwustanowe temperatury?
4.  Jakie czujniki stosowane są w regulatorach dwustanowych ciśnienia?
5.  Co uruchamiają styki regulatora ciśnienia?
6.  Na jakiej zasadzie działa regulator dwustanowy poziomu?
7.  Czym może sterować regulator dwustanowy poziomu?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie1

Zainstaluj na stanowisku pomiarowym żelazko z termostatem i zmieniając nastawy

temperatury  na  termostacie  żelazka  wyznacz  przebieg  zmian  temperatury  w  czasie,
korzystając  z  przedstawionego  schematu.  Na  podstawie  wykonanych  pomiarów  sporządź
wykres zmian temperatury w czasie. Przeanalizuj ten wykres dla różnych nastaw temperatury.
Zakłócenia  zmian  temperatury  wywołaj  wentylatorem  nadmuchu.  Na  czerwono  zaznaczono
aluminiowy blok, do którego zamocowano żelazko.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć czujnik termometru rezystancyjnego do wskaźnika,
2)  podłączyć żelazko do układu zasilania,
3)  ustalić pokrętłem termostatu zakres temperatury,
4)  załączyć układ grzania jednocześnie włączając stoper,
5)  odczytywać temperaturę co 5 sekund,
6)  wpisać wyniki do tabeli i wykonać wykres zmian temperatury w czasie,
7)  wykonać pomiary dla różnych nastaw,
8)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z żelazkiem i układem odczytu temperatury,

–

wentylator nadmuchu,

–

stoper.

Ćwiczenie 2

Zainstaluj na stanowisku pomiarowym dwustanowy regulator pływakowy poziomu

i wykonaj pomiary dla różnych wartości zakłóceń spustu wody ze zbiornika. Badania
wykonaj na podstawie schematu przedstawionego na rysunku. Do pomiaru poziomu cieczy
w zbiorniku użyj dostępnej metody pomiaru poziomu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć regulator dwustanowy poziomu zgodnie ze schematem,
2)  ustalić natężenie odpływu wody ze zbiornika,
3)  wykonać pomiary poziomu wody dla różnych nastaw położenia zaworu odpływowego,
4)  odczytywać poziom wody co 5 sekund,
5)  wyniki wpisać do tabeli i wykonać wykres zmian poziomu w czasie,
6)  przeprowadzić analizę wykonanych pomiarów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe układem regulacji poziomu,

–

karta katalogowa dwustanowego regulatora poziomu cieczy,

–

stoper.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

scharakteryzować zasadę działania regulatorów dwustanowych?



podłączyć regulator dwustanowy temperatury?



podłączyć regulator dwustanowy ciśnienia?



podłączyć regulator dwustanowy poziomu?



dobrać regulator do obiektu regulowanego?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Programatory

4.9.1. Materiał nauczania

Procesy zautomatyzowane nie dotyczą tylko obszarów przemysłu, ale także są stosowane

w  sprzęcie  gospodarstwa  domowego.  Dotyczy  to  przede  wszystkim  takich  urządzeń  jak:
pralki  automatyczne,  mikrofalówki,  piecyki  z  programowanym  cyklem  i  inne.  Urządzenia,
które  sterują  tym  sprzętem  nazywamy  programatorami.  Dotychczas  stosowano  jedynie
programatory  wyposażone  w  synchroniczne  silniczki  napędowe  oraz  elementy  stykowe
załączające  obwody  sterowane.  Obecnie  coraz  częściej  stosuje  się  programatory
z elektronicznymi układami sterującymi nie wykluczając układów mikroprocesorowych.

Na rys. 41 przedstawiono schemat ideowy pralki automatycznej z zastosowanym

programatorem stykowym, który uruchamia poszczególne obwody sterowania w pralce.

Rys. 41. Schemat ideowy pralki automatycznej PDG 585 z programatorem stykowym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(zaznaczony na niebiesko) [opracowanie na podstawie DTR Polar]

Do programatora dołączone są obwody, którymi są:

–

obwód elektrozaworów dopływu i odpływu wody,

–

obwód regulacji temperatury,

–

obwód załączania obrotów silnika (silnik dwubiegowy),

–

obwód pompki spustu wody,

–

obwody prania „oszczędnego.”
Działaniem tych obwodów koordynuje programator z możliwością nastawy cyklu prania,

który napędza silniczek synchroniczny o stałej prędkości. Wszystkie obwody regulatora
są

wyposażone w dwustanowe elementy załączające. Przejście przez kolejne fazy programu

uzależnione jest od załączenia czujników

dwustanowych poziomu wody (hydrostat)

oraz dwustanowego czujnika temperatury.

4.9.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie są rodzaje czujników współpracujących z programatorem?
2.  Jaki rodzaj napędu stosowany jest w programatorze?
3.  Kiedy uruchamiany jest kolejny obwód programatora?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeprowadź badania symulacyjne programatora dla różnych wariantów prania. Opisz

przebieg działania programatora oraz występujące blokady.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  podłączyć programator do stanowiska zgodnie ze schematem,
2)  ustalić położenia wyłączników symulacyjnych,
3)  wykonać pomiary działania programatora dla różnych wariantów,
4)  opisać działanie blokad poszczególnych obwodów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe z programatorem i symulowanym układem,

–

wyłączniki,

–

żarówki,

–

karta katalogowa programatora,

–

stoper.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić zasadę działania programatora?



podłączyć programator do układu symulacyjnego?



zasymulować pracę obwodów programatora?



podłączyć programator elektroniczny?



zasymulować pracę programatora elektronicznego?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań.  Do  każdego  zadania  dołączone  są  4  możliwości  odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawdziwa.

5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej

rubryce znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem
a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, gdyż tylko wówczas będziesz miał satysfakcję z wykonanego

zadania.

7. Jeśli udzielanie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny.

8. Na rozwiązanie testu masz 25 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Przetworniki służą do

a)  zamiany czasu na prąd.
b)  standaryzacji sygnału.
c)  sterowania siłownikiem.
d)  regulacji.

2. Wartością standardową sygnału nie jest

a)  0 do 20 mA.
b)  50 mA.
c)  20 do 100 kPa.
d)  4 do 20 mA.

3. Sprzężenie zwrotne w przetworniku ma wpływ na

a)  czułość przetwornika.
b)  zakres pomiarowy i dokładność.
c)  dynamikę przetwornika.
d)  sygnał standardowy.

4. W przetworniku elektrycznym pojemnościowym ciśnienia zakres zależy od

a)  napięcia zasilania.
b)  wielkości ciśnienia.
c)  grubości membrany.
d)  rodzaju czynnika.

5. W przetworniku binarnym sygnał wyjściowy jest

a)  napięciowy.
b)  prądowy.
c)  ciśnieniowy.
d)  zero i jedynkowy.

6. Uruchomienie przetwornika analogowego wymaga

a)  ustawienia nachylenia charakterystyki.
b)  ustawienia wzmocnienia.
c)  ustawienia początku i końca sygnału wyjściowego.
d)  ustawienia czułości.

7. Regulator bezpośredniego działania wymaga zasilania

a)  ciśnieniem.
b)  nie wymaga zasilania.
c)  napięciem.
d)  prądem.

8. Zakres regulacji w regulatorze temperatury bezpośredniego działania ustala się

a)  zadajnikiem przez zmianę objętości.
b)  zadajnikiem przez zmianę siły.
c)  zadajnikiem przez zmianę prądu.
d)  zadajnikiem przez zmianę napięcia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9. Wzmacniaczy elektrycznych nie stosuje się do sterowania silników

a)  klatkowych.
b)  pierścieniowych.
c)  krokowych.
d)  prądu stałego.

10. Falowniki są urządzeniami do

a)  wytworzenia fali nośnej.
b)  sterowania regulatorami.
c)  regulacji prędkości silników.
d)  sterowania zaworami.

11. Działanie pneumatycznego regulatora mieszkowego oparte jest na

a)  wzmacniaczu mocy.
b)  mieszku wejściowym.
c)  równoważni pneumatycznej.
d)  oporach pneumatycznych.

12. Nastawy regulatora mieszkowego realizowane są przez

a)  zmianę ciśnienia.
b)  zmianę temperatury powietrza.
c)  zespół dławików regulowanych i komór.
d)  zespół dysza – przysłona.

13. Konfigurowanie regulatora cyfrowego polega na

a)  zmianie sygnału wejściowego.
b)  zmianie sygnału wyjściowego.
c)  doborze nastaw regulatora.
d)  włączeniu zasilania.

14. Podłączając regulator cyfrowy do komputera nie możemy

a)  dobrać nastaw regulatora.
b)  wybrać dowolnego numeru regulatora.
c)  wybrać rodzaju regulacji.
d)  ustalić rodzaj sygnału wyjściowego.

15. W strukturze regulatora PID nastawami są

a) X

, T

b) X

, T

c) X

, T

d) T

, T

16. W regulatorze dwustanowym temperatury elementem pomiarowym jest

a)  membrana.
b)  bimetal.
c)  sprężyna.
d)  kapilara.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko..........................................................................................

Uruchamianie przetworników i regulatorów

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1.  Dąbrowski A.: Pracownia techniczna mechaniki precyzyjnej. WSiP, Warszawa 1985
2.  Kamiński L.: Technologia i pomiary dla ZSZ. WSiP, Warszawa 1985
3.  Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996
4.  Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1994
5.  Olszewski M.: Mechatronika. REA, Warszawa 2002
6.  Siemieniako F.: Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1996

Czasopisma specjalistyczne:

−

Mechanik,

−

Przegląd mechaniczny,

−

Bezpieczeństwo Pracy,

−

Maszyny Technologie Materiały,

−

Elektronika Praktyczna,

−

Elektronika,

−

Pomiary Automatyka Kontrola,

−

Pomiary Automatyka Robotyka.

Rozporządzenia i normy z zakresu bezpieczeństwa i higieny pracy