Индикаторные приборы

Оглавление ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ .................................................................................................................. 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЙ..................................................................................... 6 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН............................................................................................... 8 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ............................................................................................... 9 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.............................................................................................. 10 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ .................................................................................................... 11 ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ........................................................ 12 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ......................................................................................................... 13 ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ ........................................................... 17 ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ .................................................................................................... 18 ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ................................................................................................................. 22 СИГНАЛЫ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ...................................................................... 22 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ................................................ 25 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ .................................................................................... 27 ПАРАМЕТРЫ АЦП И ЦАП ................................................................................................................. 31 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДОВ ................................................................................................................ 32 ЦИФРОВАЯ ИНДИКАЦИЯ ..................................................................................................................... 35 ТАЙМЕРЫ............................................................................................................................................. 37 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА ..................................................................................... 39 УСТРОЙСТВО СБОРА И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ..................................................................... 40 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ......................................................................................................... 42 СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ ............................................................................ 53 ПРЕРЫВАТЕЛИ (БЕСКОНТАКТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА) ................................................ 57 Прерыватели переменного тока ..................................................................................................... 57 Прерыватели на тиристорах............................................................................................................ 58 УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ......................................................................................................... 61 УПРАВЛЯЕМЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ........................................................ 62 УПРАВЛЯЕМЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ .......................................................... 65 ИНВЕРТОРЫ ......................................................................................................................................... 65 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ................................ 66 АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ .............................................. 76 КОММЕРЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ УЧЕТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ............................................................ 78 ВАРИАНТЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ПОСТРОЕНИЯ АСКУЭ ........................................................................ 79 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АСКУЭ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ .......................... 81 ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ Большую часть информации человек получает по зрительному каналу. При контакте человека с машиной зрительное восприятие человека является важнейшим компонентом. Поэтому средства отображения зрительной информации являются важной принадлежностью большинства устройств управления, обработки и передачи информации. При взаимодействии оператора с электронными системами часто возникает задача представления сведений о работе системы и о значениях контролируемых параметров. Эти сведения в электронной системе обычно представляются в виде электрических сигналов, для преобразования которых в видимую форму служат разнообразные устройства визуального отображения информации. В зависимости от решаемой задачи устройства отображения информации могут иметь разную степень сложности. Например, сигнал о включении питания системы обычно отображают свечением соответствующего указателя ("Включено", "Питание", "Сеть" и т.д.), а для отображения информации о программе, по которой работает система, требуется более сложное и универсальное устройство – дисплей. Основу устройств отображения информации составляют индикаторные приборы или элементы индикации, предназначенные для преобразования электрических сигналов в видимую форму. Основные типы индикаторных приборов (основные параметры индикаторных приборов приведены в табл. 1.1) 1. Электронно-лучевые индикаторы. Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ служит подогревный катод. Эмитированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором – веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путем воздействия на него электрического или магнитного поля специальных электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляется с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатическое поле, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением. На рис. 1.1 схематически показано устройство ЭЛТ с электростатическим управлением. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1- 10 мкПа. Металлический катод К, подогреваемый током металлической нити Н, имеет форму стакана. Катод охвачен полым цилиндрическим модулятором М с отверстием на оси. Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал, регулируемый потенциометром R1 в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше плотность электронного потока, прошедшего через отверстие модулятора, и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране ЭЛТ. При определенном значении потенциала модулятора электроны вообще не пройдут через модулятор, и экран не будет светиться. Электроны, прошедшие через модулятор, попадают в электрическое поле первого (А1) и второго (А2) анодов, выполненных в виде полых тонкостенных металлических цилиндров. Анодам сообщают высокие положительные потенциалы от источника питания через делитель R1R2R3 (первому аноду – несколько сотен вольт, второму – до десятков киловольт). Благодаря этому электроны приобретают достаточную для возбуждения атомов люминофора скорость. Форму, размеры и потенциалы анодов рассчитывают так, чтобы сфокусировать пучок электронов на поверхности экрана Э. Регулировкой потенциала первого анода с помощью потенциометра R2 добиваются точной фокусировки. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует электронный прожектор. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов – отклоняющих пластин X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластины на электроны. Разность потенциалов между пластинами Х (горизонтального отклонения) определяет положение луча по горизонтали, а разность потенциалов между пластинами Y (вертикального отклонения) – по вертикали. Пример ЭЛТ с электростатическим отклонением – осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения на экране изменений электрических сигналов во времени. Рис. 1.1. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением 2. Светоизлучающие диоды. Используются для создания малогабаритных индикаторов, обычно их объединяют в группы, которые конструктивно выполняются в виде единого прибора. Цвет излучения – преимущественно красный. 3. Газоразрядные индикаторы представляют собой приборы, в которых прохождение тока основано на тлеющем разряде в газе. Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они имеют два металлических электрода, выполненных в виде дисков, стержней и т.д, помещенных в стеклянный баллон, обычно заполненный неоном. Напряжение возникновения разряда в промежутке анод – катод для разных типов ламп колеблется в пределах от 60 до 235 В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА. Если на внутреннюю поверхность баллона лампы нанести слой люминофора, то будет получен сигнальный люминесцентный индикатор. Свечение люминофора происходит благодаря воздействию на него ультрафиолетового излучения, возникающего за счет ионизации газанаполнителя при разряде. Цвет свечения зависит от сочетания типа люминофора и газа-наполнителя. Такие лампы широко используются при оформлении уличной рекламы. 4. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) принципиально отличаются от всех других тем, что не излучают собственный свет, а преломляют падающий или проходящий сквозь них свет. Поэтому для использования ЖКИ необходим внешний источник света. Основой этого вида индикаторов служат жидкокристаллические вещества, обладающие свойствами жидкости и имеющие кристаллическую молекулярную структуру. При этом структура такого вещества легко изменяется под воздействием электрического поля, ультразвука. В ЖКИ используется изменение структуры вещества под воздействием электрического поля, сопровождаемого изменением коэффициента преломления света. По своей конструкции ЖКИ подобен конденсатору, в котором между двумя стеклянными пластинами, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим слоем (электродами), находится слой ЖК вещества толщиной 10-20 мкм (рис. 1.2,а). Один электрод обычно делают прозрачным, а другой – хорошо отражающим свет. Вся конструкция герметизируется. Под воздействием переменного напряжения 10-20 В, приложенного между электродами, изменяются преломляющие свойства ЖК вещества, уменьшается его прозрачность. Если прозрачные электроды выполнить в виде сегментов, то, подавая напряжение между отражающим электродом и соответствующим сегментом, можно получить темные знаки на светлом фоне. Такие ЖКИ – это ваши калькуляторы (рис. 1.2,б). Достоинства ЖКИ – малая мощность потребления и большой срок службы. Основные недостатки ЖКИ – необходимость во внешнем источнике света и узкий диапазон рабочих температур (+1 – +50оС). Рис. 1.2. Устройство жидкокристаллического индикатора (ЖКИ): 1 – стеклянная пластина; 2 – отражающий электрод; 3 – изоляционная прокладка; 4 – прозрачный электрод; 5 – выводы; 6 – слой жидкокристаллического вещества Таблица 1.1. Основные параметры индикаторных приборов Тип прибора Светоизлучающий диод Газоразрядные индикаторы Жидкокристаллические индикаторы Рабочее напряжение, В Потребляемый ток, мА Срок службы, ч 3–6 5 – 20 105 60 и выше 1 – 10 на знак 104 5 – 10 и выше 10 мкА/см2 104 Наиболее часто необходимо отображение знаковой информации (буквы, цифры, символы). Возможна реализация трех способов отображения знаковой информации: 1) Высвечивание готовых символов. Этот способ индикации наиболее просто осуществляется в газоразрядных индикаторах, катоды которых могут быть изготовлены любой формы (буквы, цифры, слова, числа и т.п.) (рис. 1.4,а). Однако общее число таких символов (катодов) ограничено. 2) Матричный способ (рис. 1.4,б) основан на работе отдельных элементов матрицы, которые могут высвечиваться независимо друг от друга. Матрица светоизлучающих диодов 5  7 содержит 35 точечных приборов, имеющих 35 катодных выходов и один общий вывод от всех анодов. Такая матрица позволяет изобразить цифры, буквы латинского и русского алфавитов, основные математические символы. 3) Сегментный способ (рис. 1.4,в). Восемь независимых элементов индикатора позволяют записать любые цифры с десятичной точкой, а также изобразить знак "минус", а также некоторые буквы. Для управления работой знаковых индикаторов применяют дешифраторы – устройства, в которых каждой из комбинаций сигналов на входах соответствует определенная комбинация сигналов на его выходах, и управляемые дешифраторами ключи, соединяющие катоды индикатора с источником питания. Рис. 1.3. Способы представления цифровой и буквенной информации ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЙ. К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы. Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного значения физической величины. Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая величина, называется первичным измерительным преобразователем. В зависимости от характера преобразуемых величин различают следующие виды измерительных преобразователей:  преобразователи электрических величин в электрические (делители напряжения, измерительные трансформаторы);  преобразователи магнитных величин в электрические (измерительные катушки);  преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, емкостные). В зависимости от вида входного и выходного сигналов различают измерительные преобразователи:  аналоговые преобразователи, у которых на входе и выходе аналоговые сигналы;  аналого-цифровые преобразователи, имеющие на входе аналоговый сигнал, а на выходе цифровой (кодированный) сигнал;  цифро-аналоговые преобразователи, у которых на входе цифровой, а на выходе – аналоговый сигнал. Первичные измерительные преобразователи, размещаемые непосредственно на объекте исследования и удаления от места обработки, отображения и регистрации измерительной информации, называют датчиками. Измерительные приборы – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По физическим явлениям, положенным в основу работы, измерительные приборы можно разделить на электроизмерительные (электромеханические, электротепловые, электрохимические и др.) и электронные приборы. По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин, по способу представления результатов – на показывающие и регистрирующие. В зависимости от регистрации измеряемой величины – аналоговые и цифровые измерительные приборы. Измерительные установки – комплекс средств измерений, включающий в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, вспомогательные устройства, объединенные общей схемой, с помощью которой можно измерить одну или несколько физических величин. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Он ограничивается наибольшим и наименьшим значениями. Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний. Под надежностью средства измерений понимают его способность сохранять нормированные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Основными критериями надежности приборов являются вероятность безотказной работы и средняя продолжительность безотказной работы. Вероятность безотказной работы определяется вероятностью отсутствия отказов прибора в течение определенного промежутка времени, средняя продолжительность безотказной работы – отношением продолжительности безотказной работы к числу отказов за это время. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Масштабные преобразователи (МП). Эти преобразователи относятся к группе измерительных преобразователей электрических величин в электрические и предназначены для изменения значения размера физической величины в заданное число раз без изменения рода величины. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения. Шунты применяются для уменьшения силы тока в определенное число раз. Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству R измерений (рис. 1.1). Если сопротивление шунта Rш  , где R – n 1 сопротивление средства измерений; n  I1 I 2 - коэффициент шунтирования, то ток I2 в п раз меньше тока I1. I2 I1 Rш Рис. 1.1. Схема включения измерительного механизма с шунтом Делители напряжения предназначены для уменьшения напряжения в определенное число раз. В зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Измерительные трансформаторы (ИТ) используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (5 или 1 А, 100 В). Применением ИТ в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы. Их делят на трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Принцип действия ИТ совпадает с принципом действия трансформаторов. ИТ состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков 1 и вторичной – 2 , помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 1.2). В ТТ 1  2 , а в ТН – 1  2 . Первичную обмотку ТТ включают в измеряемую цепь последовательно, а ТН – параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов. Во вторичную цепь ТТ включают амперметры, последовательные обмотки счетчиков, ваттметров, цепи релейной защиты и управления; к вторичной обмотке ТН подключают вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов. По показаниям приборов можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо показания приборов умножить на коэффициенты KI и KU. Для ТТ – K I  I1 I 2 , а для ТН – KU  U 2 U 1 . Коэффициенты KI и KU называют действительными коэффициентами трансформации. В действительности, значения коэффициентов KI и KU непостоянны. Они зависят от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и материала сердечника. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на постоянные номинальные коэффициенты трансформации: K Iн  I1н I 2н , KUн  U 2н U 1н . ТТ работает в режиме, близком к режим короткого замыкания, т.к. в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. ТН работают в режиме, близком к режиму холостого хода, т.к. во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением. Электромеханические преобразователи. В них электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. На основе таких преобразователей, которые называются "измерительными механизмами", строятся различные измерительные приборы (ИП). Электромеханические измерительные приборы (ЭИП). Они отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью и представляют собой технические средства измерения. Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Данные приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений, сопротивлений. Такие приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений, регистрации электрических величин. Наиболее распространен магнитоэлектрический механизм с подвижной катушкой. Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой, равняется WЭМ    i , где   B  s     – потокосцепление подвижной катушки; B – индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; s – площадь катушки;  – число витков обмотки катушки;  – угол поворота катушки. Тогда мгновенный вращающий момент будет равен: dWЭМ Mt   B  s   i . d Как уже было сказано, данный тип приборов применяется только в цепях постоянного тока. При протекании через катушку постоянного тока I вращающий момент равняется: M  B  s   I . При воздействии вращающего момента подвижная часть должна повернуться на угол, однозначно зависящий от измеряемой величины: B  s   I, W где W - удельный противодействующий момент. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Данные приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока. Вращающий момент в электродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижной катушек с токами. Измерительный механизм состоит из двух последовательно соединенных неподвижных катушек, разделенных воздушным зазором, и подвижную катушку. При протекании токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть. Электромагнитная энергия двух катушек с токами 1 1 WЭМ  L1  i12  L2  i22  M 1,2i1  i2 , 2 2 где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижной катушек; М1,2 – взаимная индуктивность неподвижных и подвижной катушек; i1 и i2 – токи в неподвижных и подвижной катушках. Т.к. индуктивности катушек не зависят от угла поворота подвижной части, то мгновенный вращающий момент dM 1,2 dWЭМ Mt   i1  i2  . d d При постоянных токах I1 и I2 в катушках вращающий момент dM 1,2 . d i2  I m 2  sin  щt    , M  I1  I 2  Если токи i1  I m1  sin щt , то мгновенный вращающий момент 1 dM 1,2 Mt    I m1I m 2 cos   cos  2щt     , 2 d где  - угол фазового сдвига между токами в неподвижных и подвижных катушках. Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части электродинамического измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента T dM 1,2 T dM 1,2 1 M   M t dt  i  i dt  I1  I 2  cos  , 1 2 Т0 d 0 d где I1 и I2 – действующие значения токов i1 и i2. Угол отклонения подвижной части равен: 1 dM 1,2 при постоянных токах    I1  I 2 ; W d 1 dM 1,2 при переменных токах    I1  I 2  cos  . W d ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ Данные приборы применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по которой протекает ток. При протекании тока i через катушку сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки. Вращающий момент  L  i2  d 2  1 dL 2 dWЭМ  Mt     i , d d 2 d где WЭМ - энергия электромагнитного поля катушки с сердечником; L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника. При постоянном токе I вращающий момент 1 dL 2 M  I . 2 d Если ток i – синусоидальный, то мгновенный вращающий момент 1 dL 2 Mt   I m 1  cos 2щt  . 4 d Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части электромагнитного измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента, которая может быть определена следующим образом: T T 1 1 dL 1 2 1 dL 2 M   M t dt     I m  sin 2 щtdt   I . Т0 2 d T 0 2 d Угол поворота подвижной части определяется как 1 dL 2   I . 2W d На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д. Достоинства электронных измерительных приборов: 1) высокая чувствительность обусловлена применением усилителей; 2) малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов; 3) широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна. Недостатки: 1) сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов; 2) необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор; 3) сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц). Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные. Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; Ux – измеряемое напряжение. Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ kУПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением kУПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф "нуля"). Поэтому в таких вольтметрах kУПТ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения. Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение uх, сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными. Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц). Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения. Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а) входом, где uвх и uвых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,а, то для преобразователя uвх=uх. В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального uхmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения uвых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда uвх>uвых, и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда uвх0 и тиристоры выключены. Тогда, uт=uвх>0. При этом будет протекать ток в цепи по следующему направлению: аD2R1Sцепь управления тиристора Т1b. Пренебрегая падением напряжения на диоде D2 и в цепи управления, получаем u iy1  m . R1 По мере роста напряжения uвх этот ток будет увеличиваться и тиристор Т1 включится. Тиристор Т2, находящийся под обратным напряжением, является выключенным. Ток iy2=0 После включения тиристора Т1 uт=1, поэтому iy1=0 (включение тиристора автоматически снимает сигнал управления). При изменении полярности входного напряжения тиристоры меняются ролями. Таким образом, данная схема обеспечивает работу прерывателя при угле управления, близком к нулю, не позволяет плавно изменять действующее напряжение на нагрузке и дает возможность только включать ее или отключать. Одним из проблем использования устройств прерывателей является применение схем, защищающих силовые приборы от перенапряжений. Уменьшение влияния перенапряжения достигается применением RC-цепочки и варистора (нелинейный резистор, ток которого начинает быстро возрастать после достижения напряжением некоторого порогового значения). Преимуществами бесконтактных переключающих устройств в сравнении с контактными являются:  большая допустимая частота переключений;  большой срок службы;  бесшумность;  простота обслуживания и малые эксплуатационные расходы. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ Выпрямители предназначаются для преобразования переменного напряжения в напряжение одной полярности (однонаправленное, выпрямленное). Электрическая энергия вырабатывается и распределяется, как правило, на переменном токе, но значительная ее доля потребляется при использовании постоянного тока (электролиз, электропривод и т.д.), получаемые с помощью выпрямителей. Кроме того, выпрямители применяются как промежуточные звенья в преобразователях переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (например, в блоках питания компьютеров). В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают однофазные и многофазные выпрямители, причем из последних наиболее широко используются трехфазные. Выпрямители на диодах называют неуправляемыми, а содержащие управляемые силовые приборы – управляемыми. УПРАВЛЯЕМЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ Такие выпрямители широко используются в самых различных устройствах сравнительно малой мощности (до сотен ватт и, иногда, единиц киловатт). Рассмотрим работу выпрямителя для двух характерных видов нагрузки: активной и активно-индуктивной (рис. 12.1). Рис. 12.1. Схема однофазного мостового выпрямителя Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом угле управления. Для рассматриваемого выпрямителя углом управления называют угол  сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны напряжения питания ивх и соответствующим моментом включения тиристоров Т1 и Т4, а также равный ему угол сдвига между началом каждой отрицательной полуволны напряжения ивх и соответствующим моментом включения тиристоров Т2 и Т3 (тиристоры включаются парами). При =0 электрические процессы в управляемом выпрямителе совпадают с процессами в неуправляемом выпрямителе. Работа выпрямителя на активную нагрузку при угле управления =90 (рис. 12.2). При ·t=/2 включаются тиристоры Т1 и Т4. При этом на тиристорах Т2 и Т3 скачкообразно возрастает в два раза обратное напряжение. При ·t= тиристоры Т1 и Т4 выключаются под действием напряжения ивх. Аналогично при ·t=(3/2) после включения тиристоров Т2 и Т3 увеличивается обратное напряжение на тиристорах Т1 и Т4. Тиристоры Т2 и Т3 выключаются под действием напряжения ивх при ·t=2. uвх Uвхт t -Uвхт uТ1, Т4 Uвхт t -Uвхт uТ2, Т3 Uвхт t -Uвхт uвых Uвхт t Рис. 12.2. Работа выпрямителя при =90 Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку при нулевом угле управления. Предполагаем, что индуктивность нагрузки Lн очень велика, так что ток нагрузки iвых практически постоянный. Такое допущение можно использовать, если постоянная времени нагрузки τн значительно больше периода напряжения сети  н  Lн Rн  . При =0 электрические процессы в управляемом выпрямителе совпадают с процессами в неуправляемом выпрямителе. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку при угле управления /4 (=45). Рис. 12.3. Работа выпрямителя при =45 Отрицательным фактором применения такого выпрямителя является то, что он загружает питающую сеть реактивной мощностью. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ Данный тип выпрямителя широко используется в устройствах большой мощности. Схема трехфазного выпрямителя представлена на рис. 12.4. iy1 uT1 iy2 Т1 uT2 iy3 Т2 uT3 iвых Т3 uL uca uab ubc Rн uT4 iy4 Т4 uT5 iy5 Т5 uT6 Т6 Lн uвых Rн iy6 Рис. 12.4. Схема управляемого трехфазного мостового выпрямителя Такой выпрямитель подобен рассматриваемому однофазному мостовому, но получает питание от трехфазного источника напряжения, содержит 6 тиристоров. ИНВЕРТОРЫ Инверторы преобразуют постоянное напряжение в переменное. Они осуществляют функцию, обратную по отношению к функции выпрямителя. Но в тех и других устройствах используются одни и те же схемотехнические решения. Более того, некоторые устройства могут осуществлять как выпрямление, так и инвертирование. В них возможно изменение направление потока энергии: или от цепи переменного тока в цепь постоянного (выпрямительный режим), или в обратном направлении (инверторный режим). Обобщенно эти устройства называют преобразователями. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ Измерительные информационные системы (ИИС) – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации и т. п. В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде:  измерительных систем (ИС);  систем автоматического контроля (САК);  систем технической диагностики (СТД);  систем распознавания образов (идентификации) (СРО);  телеизмерительных систем (ТИС). В СТД, САК, СРО измерительная система входит как подсистема. Назначение любой измерительной информационной системы, необходимые функциональные возможности, технические характеристики и другие определяются объектом исследования, для которого данная система создается. Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Исходя из этого основные функции измерительной информационной системы – получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий. Классификация ИИС. Степень достижения функций принято характеризовать с помощью критериев измерения. ИИС оптимизируют по многим частичным критериям таким, как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др. ИИС обычно классифицируют: 1. По разновидности входных величин: Поведение во времени: неизменное, изменяющееся; Расположение в пространстве: сосредоточенное, распределенное; Характер величин: непрерывный, дискретный; 2. По выходной информации – измерительные (на выходе количественная измерительная информация), контрольно-диагностические и распознающие (на выходе количественные суждения о состоянии объектов). 3. По принципам построения: Наличие/отсутствие специального канала связи; Порядок выполнения операций получения информации; Сигналы, используемые в ИИС: аналоговые, кодоимпульсные. 4. В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС (рис. 13.1). Рис. 13.1. Основные структуры ИИС Требования, предъявляемые к ИИС. Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и частными требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание. ИИС должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия, отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств, быть приспособленной к функционированию с ИИС смежных уровней иерархии и другими ИИС, т.е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости, а также допускать возможность дальнейшей модернизации и развития. Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов ИИС представлена на рис. 6.2. Рис. 13.2. Основные компоненты ИИС: ОО – организационное обеспечение, ОП – оперативный персонал, ИО – информационное обеспечение, ТО, ПО – техническое и программное обеспечение, МО – метрологическое обеспечение Процессом функционирования ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически комплексом технических средств (КТС) (техническим обеспечением), либо совместно-оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС. Чтобы люди и КТС могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение. Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав только ИИС с цифровым вычислительным комплексом. Математическое обеспечение – это модели и вычислительные алгоритмы. Программное обеспечение гарантирует конкретную реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы и охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ. Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении. Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение. Технические средства ИИС состоят из следующих блоков: 1) множества первичных измерительных преобразователей (датчиков); 2) множества вторичных измерительных преобразователей; 3) множества элементов сравнения и мер; 4) блока цифровых устройств; 5) множества элементов описания – норм; 6) множества преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др. Блоки 1-6 используются в цифровых ИИС, а 1-3 и 6 – в аналоговых ИИС. При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступить непосредственно от устройств обработки и/или хранения. ВИДЫ ИИС ИИС, предназначенные для измерения и хранения информации, носят название измерительных систем (ИС). ИС могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющихся во времени и/или распределенных в пространстве величин. Упрощенная классификация ИС представлена на рис. 13.3. Рис. 13.3. Упрощенная классификация ИС Важнейшими характеристиками ИС являются эффективность, полнота выполняемых функций, достоверность, надежность, быстродействие, характеристики входов и выходов, метрологические параметры. Многоканальные ИС параллельного действия – это один из наиболее распространенных видов ИИС, обладающих наиболее высокой надежностью и более высоким быстродействием при одновременном получении информации, возможностью подбора средств измерений к замеряемым величинам, что может исключить унификацию сигналов. Однако они имеют повышенные сложность и стоимость (рис. 13.4). Рис. 13.4. Структурная схема многоканальной ИС: а – аналоговая мера, б – цифровая мера В отличие от ИС параллельного действия схема мультиплицированной системы (рис. 13.5) включает только одну общую меру для всех каналов. В этих системах измерительная величина сравнивается с линейно изменяющейся величиной. При фиксированных моментах начала развертки и равенствах x и хk может быть определен интервал времени tл пропорциональный значению хk. В многоканальной системе возникают трудности в разделении сигналов от элементов сравнения. В этом случае прибегают к специальным мерам. Рис. 13.5. Структурная схема мультиплицированной системы Сканирующие (последовательного действия) ИС. С помощью одного канала они выполняют последовательно измерения множества величин и имеют сканирующее устройство (СкУ), которое перемещает датчик в пространстве (рис. 13.6). Рис. 13.6. Структурная схема сканирующей ИС Траектория движения при этом может быть запрограммирована (пассивное сканирование) или изменяться в зависимости от получаемой измерительной информации (активное сканирование). Сканирующие системы применяют для измерения температурных полей, нахождения экстремальных значений исследуемых полей (давлений, механических напряжений и т.д.) или нахождения одинаковых значений параметра. Недостаток систем – малое быстродействие. Многоточечные (последовательно-параллельного действия) ИС. Их применяют в сложных объектах с большим числом измеряемых параметров (рис. 13.7). Рис. 13.7. Структурная схема многоточечной ИС: а – с одним коммутатором, б – с двумя коммутаторами В этих системах при множестве датчиков (Д), имеется всего один измерительный тракт (рис. 13.7, а) и измерительный коммутатор SW, либо множество датчиков (Д) и множество индикаторов (В) (рис. 13.7, б). Измерительные коммутаторы служат для согласования параллельных и последовательных элементов во времени. Они должны обладать определенными метрологическими характеристиками (погрешностью, быстродействием и др.). Лучшие по точности результаты дают контактные измерительные коммутаторы (10-5...10-6), но они имеют низкое быстродействие, малое количество коммутируемых цепей и не работают по заявкам. Бесконтактные измерительные коммутаторы имеют более низкую точность, но значительно лучшие остальные показатели. Недостаток этих систем – пониженное быстродействие и точность за счет использования ключей коммутаторов. Многомерные ИС. Они основаны на одновременном измерении различных свойств в среде, зависящих от ее состава, с последующей математической обработкой результатов измерения. Измеряемыми могут быть, например, электропроводность и плотность, температура кипения и показатель преломления или удельный вес и т.д. Во всех случаях, независимо от характера выполняемого расчета, возможность измерения связана с возможностью составления системы независимых уравнений: где x – измеряемые параметры анализируемой среды; С – концентрации компонентов анализируемой среды; f – функции, выражающие характер зависимости измеряемых параметров от состава среды. Выполнение функциональной независимости уравнений системы обеспечивает принципиальную возможность ее решения. Данные систем обеспечивают, таким образом, избирательное определение величин интересующего нас компонента в многокомпонентной среде путем применения недостаточно ИИС. Аппроксимирующие измерительные системы (АИС). Их применяют при необходимости количественно оценить или восстановить исходную величину, являющуюся функцией некоторого аргумента. Есть два пути выполнения этих измерений: первый – измерение дискретной величины и восстановление ее путем аппроксимации с помощью многочленов; второй – измерение коэффициентов многочленов, аппроксимирующих исходную функцию на всем интервале ее исследования. Основные области применения АИС – это измерение статистических характеристик случайных процессов, характеристик нелинейных элементов, сжатие, фильтрация, генерация сигналов заданной формы. Системой телеизмерения называется совокупность устройств на приемных и передающих сторонах и каналах связи для автоматического измерения одного или ряда параметров на расстоянии. Структурная схема системы телеизмерений представлена на рис. 13.8. Рис. 13.8. Структурная схема телеизмерительной системы: ПП – первичные преобразователи, ООИ – блок обработки и отображения информации, КП – контрольные пункты, ПКС – преобразователи кодов и сигналов, КС – канал связи Можно указать следующие основные способны построения телеизмерительной системы:  по виду модуляции: интенсивные (тока, напряжения), времяимпульсные (ВИМ и ШИМ), частотные (ЧИМ и ЧМ), кодоимпульсные (двоичные и недвоичные), цифровые и адаптивные;  по виду телеизмеряемого параметра: аналоговые и цифровые;  по числу каналов связи: одноканальные и многоканальные;  по характеристике каналов связи: проводные и радиоканальные;  по виду телеизмерения: непрерывные; по вызову; по выбору. При этом могут производиться телеизмерения текущих, статистических и интегральных значений параметров. Каналы бывают совмещенные, симплексные и дуплексные. Установлены следующие классы точности устройств телеизмерений: 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0. Сравнительная оценка систем телеизмерений ведется:  по реально достижимой минимальной погрешности;  помехоустойчивости;  надежности системы;  возможности работы с различными каналами связи;  стоимости;  возможности унификации и массового производства унифицированных устройств. Лучшие системы – это системы кодоимпульсных телеизмерений. Автоконтроль. Он устанавливает соответствие между состоянием объекта контроля и заданной нормой без непосредственного участия человека. Соответствие может устанавливаться для данного или для будущего состояния (прогнозирующий контроль). Автоконтроль освобождает человека от утомительных рутинных операций в самых разнообразных сферах его деятельности: на транспорте, в сельском хозяйстве, при научных исследованиях, обучении и т.д. Необходимым условием осуществления автоконтроля в любом его применении является знание установленной нормы. Норма может быть выражена в количественной или качественной форме. В последнем случае нормой может быть, например, определенное качество усвоения материала при обучении. В дальнейшем ограничимся автоконтролем с нормой только в количественной форме. При автоконтроле, в отличие от автоматических измерений, нет необходимости знать численные значения контролируемых величин, достаточно установить значения абсолютного или относительного допуска на отклонение от нормы (например, не больше 5 %). Отклонение за пределы установленной нормы вызывают предупредительный, аварийный или другие сигналы. Формирование таких сигналов – одна из главных функций автоконтроля. Система автоконтроля – это комплекс устройств, осуществляющих автоматический контроль одной или большого количества величин, требующие значительной обработки информации для суждения об отклонении от установленной нормы, например, обработка изделий в результате статистической обработки результатов контроля. В подавляющем большинстве случаев системы автоконтроля совмещают функции контроля и измерения, т.е. являются контрольноизмерительными системами. Они выполняют функции контроля, а в случае необходимости расширить информацию о контролируемом параметре осуществляют процесс измерения. Структурные схемы систем для автоматического контроля большого количества величин приведены на рис. 13.9. Они похожи на схемы ИС. Здесь, так же как и на рис. 13.7, фигурные скобки обозначают наличие от одного до п одинаковых узлов внутри скобок. На рис. 13.9 норма выражается в аналоговой форме. В отличие от рис. 13.7, здесь на элемент сравнения подается не мера, а норма. Кроме того, на выходе сравнивающего устройства включено устройство формирования сигналов ФС, формирующее сигнал отклонения от заданной нормы, который отражается и (или) записывается. Схема может быть реализована с параллельным или последовательным сбором информации. В первом случае она выражается в п параллельно работающих каналах автоконтроля с п датчиками, и элементами сравнения, уставками (нормами), и узлами формирования сигналов и п устройствами отображения информации. Рис. 13.9. Структурные схемы систем автоматического контроля с аналоговой нормой В отличие от этого при последовательном сборе информации на выходе п датчиков и на входе п установок включаются коммутаторы, работающие синхронно и синфазно (рис. 13.9, б). В системах автоконтроля, реализуемых по схеме рис. 13.9, норма должна храниться в аналоговой форме, что связано с техническими трудностями. Для устранения этого недостатка хранение нормы осуществляется в цифровой форме (магнитная и другая запись), а между устройством хранения нормы и элементом сравнения включается ЦАП аналогично рис. 13.4, а. Возможен и другой вариант хранения нормы в цифровой форме, но с АЦП на выходе датчиков и устройством сравнения в цифровой форме, например в виде дешифратора кодов (аналогично рис. 13.4, б). Системы автоконтроля часто выполняют дополнительные функции, не имеющие прямого отношения к автоконтролю. К ним относятся:  промежуточные преобразования сигналов;  формирование тестовых (испытательных) сигналов;  операция счета (изделий и т.п.);  измерения (аналоговые или цифровые);  математическая обработка результатов контроля для прогнозирования и выполнения других операций;  диагностические функции. Системы автоматического контроля, в которых используются устройства сравнения типа "больше-меньше", называют системами допускового контроля. В подобных системах возможно изменение зоны (уставки) в процессе контроля, при этом создается представление о степени близости контролируемой величины к интересующему состоянию. Такие системы принято называть системами спорадического контроля. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Высокая стоимость энергоресурсов обусловила в последние годы кардинальное изменение отношения к организации энергоучета в промышленности и других энергоемких отраслях промышленности. Потребители начинают осознавать, что в их интересах необходимо рассчитываться с поставщиком энергоресурсов не по каким-то условным нормам, договорным величинам или устаревшим и неточным приборам, а на основе современного и высокоточного приборного учета. Под давлением рынка энергоресурсов потребители приходят к пониманию той простой истины, что первым шагом в экономии энергоресурсов и снижении финансовых потерь является точный учет. Современная цивилизованная торговля энергоресурсами основана на использовании автоматизированного приборного энергоучета, сводящего к минимуму участие человека на этапе измерения, сбора и обработки данных и обеспечивающего достоверный, точный, оперативный и гибкий, адаптируемый к различным тарифным системам учет, как со стороны поставщика энергоресурсов, так и со стороны потребителя. С этой целью, как поставщики, так и потребители создают на своих объектах автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов – АСКУЭ. При наличии современной АСКУЭ промышленное предприятие полностью контролирует весь свой процесс энергопотребления и имеет возможность по согласованию с поставщиками энергоресурсов гибко переходить к разным тарифным системам, минимизируя свои энергозатраты. Сегодняшний день промышленных предприятий в области энергоучета связан с внедрением современных АСКУЭ. Решение проблем энергоучета на предприятии требует создания автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ), в структуре которых в общем случае можно выделить четыре уровня:  первый уровень – первичные измерительные приборы (ПИП) с телеметрическими или цифровыми выходами, осуществляющие непрерывно или с минимальным интервалом усреднения измерение параметров энергоучета потребителей (потребление электроэнергии, мощность, давление, температуру, количество энергоносителя, количество теплоты с энергоносителем) по точкам учета (фидер, труба и т.п.);  второй уровень – устройства сбора и подготовки данных (УСПД), специализированные измерительные системы или многофункциональные программируемые преобразователи со встроенным программным обеспечением энергоучета, осуществляющие в заданном цикле интервала усреднения круглосуточный сбор измерительных данных с территориально распределенных ПИП, накопление, обработку и передачу этих данных на верхние уровни;  третий уровень – персональный компьютер (ПК) или сервер центра сбора и обработки данных со специализированным программным обеспечением АСКУЭ, осуществляющий сбор информации с УСПД (или группы УСПД), итоговую обработку этой информации как по точкам учета, так и по их группам – по подразделениям и объектам предприятия, документирование и отображение данных учета в виде, удобном для анализа и принятия решений (управления) оперативным персоналом службы главного энергетика и руководством предприятия;  четвертый уровень – сервер центра сбора и обработки данных со специализированным программным обеспечением АСКУЭ, осуществляющий сбор информации с ПК и/или группы серверов центров сбора и обработки данных третьего уровня, дополнительное агрегирование и структурирование информации по группам объектов учета, документирование и отображение данных учета в виде, удобном для анализа и принятия решений персоналом службы главного энергетика и руководством территориально распределенных средних и крупных предприятий или энергосистем, ведение договоров на поставку энергоресурсов и формирование платежных документов для расчетов за энергоресурсы. Все уровни АСКУЭ связаны между собой каналами связи. Для связи уровней ПИП и УСПД или центров сбора данных, как правило, используется прямое соединение по стандартным интерфейсам (типа RS-485, ИРПС и т.п.). УСПД с центрами сбора данных 3-го уровня, центры сбора данных 3-го и 4- го уровней могут быть соединены по выделенными, коммутируемыми каналам связи или по локальной сети. КОММЕРЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ УЧЕТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ По назначению автоматизированные системы учета электроэнергии предприятия подразделяют на системы коммерческого и технического учета. Коммерческим или расчетным учетом называют учет поставки/потребления энергии предприятием для денежного расчета за нее (соответственно приборы для коммерческого учета называют коммерческими, или расчетными). Техническим, или контрольным учетом называют учет для контроля процесса поставки/потребления энергии внутри предприятия по его подразделениям и объектам (соответственно используются приборы технического учета). С развитием рыночных отношений, реструктуризацией предприятий, хозяйственным обособлением отдельных подразделений предприятий и появлением коммерчески самостоятельных, но связанных общей схемой энергоснабжения производств – субабонентов функции технического и расчетного учета совмещаются в рамках одной системы. Соответственно, АСКУЭ коммерческого и технического учета могут быть реализованы как раздельные системы или как единая система. Два вида учета, коммерческий и технический, имеют свою специфику. Для коммерческого учета характерно наличие небольшого количества точек учета, по которым требуется установка приборов повышенной точности, а сами средства учета нижнего и среднего уровня АСКУЭ должны выбираться из государственного реестра измерительных средств. Кроме того, системы коммерческого учета в обязательном порядке пломбируются, что ограничивает возможности внесения в них каких-либо оперативных изменений со стороны персонала предприятия. Для технического учета характерно большое количество точек учета с разными задачами контроля энергоресурсов, по которым можно устанавливать в целях экономии средств приборы пониженной точности. Технический контроль допускает использование приборов, не занесенных в госреестр измерительных средств, однако, при этом могут возникнуть проблемы с выяснением причин небаланса данных по потреблению энергоресурсов от систем коммерческого и технического учета. Отсутствие пломбирования приборов энергосбытовой организацией позволяет службе главного энергетика предприятия оперативно вносить изменения в схему технического контроля энергоресурсов, в уставки первичных измерительных приборов в соответствии с текущими изменениями в схеме энергоснабжения предприятия и спецификой решаемых производственных задач. ВАРИАНТЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ПОСТРОЕНИЯ АСКУЭ Варианты организации и построения АСКУЭ рассмотрим на примере систем учета электроэнергии. 1. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков через оптический порт. Это наиболее простой вариант организации АСКУЭ. Счетчики не объединены между собой. Между счетчиками и центром сбора данных нет связи. Все счетчики опрашиваются последовательно при обходе счетчиков оператором. Опрос производится через оптический порт с помощью программы размещенной на переносном компьютере, которая формирует файл результатов опроса. На компьютере центра сбора данных необходимы программные модули, формирующие файл-задание на опрос и загружающие информацию в основную базу данных (БД). Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем переносного компьютера. Синхронизация времени переносного компьютера со временем центра сбора данных производится в момент приема файлов заданий на опрос счетчиков. Для максимальной экономии средств на создание АСКУЭ в этом варианте роль центра сбора данных можно возложить на переносной компьютер. Недостатками данного способа организации АСКУЭ является большая трудоемкость сбора данных со счетчиков и невозможность использования в системе индукционных или электронных счетчиков с импульсным выходом. 2. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков переносным компьютером через преобразователь интерфейсов, мультиплексор или модем. Счетчики, объединенные общей шиной RS-485, или по интерфейсу "токовая петля" на мультиплексор (типа МПР-16), или устройством сбора и подготовки данных (УСПД) могут располагаться в различных распределительных устройствах и опрашиваться один или несколько раз в месяц с помощью программы размещенной на переносном компьютере, которая формирует файл результатов опроса. Между счетчиками и центром сбора данных нет постоянной связи. УСПД выполняет роль коммуникационного сервера. На компьютере центра сбора данных необходимы программные модули, формирующие файл-задание на опрос и загружающие информацию в основную БД. Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем переносного компьютера. Синхронизация времени переносного компьютера со временем центра сбора данных производится в момент приема файлов заданий на опрос счетчиков. Выделенный компьютер для центра сбора данных в этом варианте также может отсутствовать, его роль может выполнять переносной компьютер. 3. Организация АСКУЭ с проведением автоматического опроса счетчиков локальным центром сбора и обработки данных. Счетчики постоянно связаны с центром сбора данных прямыми каналами связи и опрашиваются в соответствии с заданным расписанием опроса. Первичная информация со счетчиков записывается в БД. Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем компьютера центра сбора данных. В качестве компьютера центра сбора данных используется локальная ПЭВМ. На ней же происходит обработка данных и ведение БД. В зависимости от количества пользователей, количества счетчиков и интервалов их профиля, квалификации пользователей, сложности математической обработки и т.д. локальная БД может функционировать либо под MS Access, либо под СУБД ORACLE8.X. Сбор данных в БД происходит периодически с заданными интервалами. 4. Организация многоуровневой АСКУЭ для территориально распределенного среднего и крупного предприятия или энергосистемы. Основная часть счетчиков постоянно связана с центрами сбора данных первого уровня прямыми каналами связи и опрашивается в соответствии с заданным расписанием опроса, как в третьем способе организации АСКУЭ. Между некоторыми счетчиками и центром сбора данных первого уровня может не быть постоянной связи, они могут опрашиваться с помощью переносного компьютера, как во втором способе организации АСКУЭ. Первичная информация со счетчиков записывается в БД центров сбора данных первого уровня, на них же происходит обработка данных. В центрах сбора данных второго уровня осуществляется дополнительное агрегирование и структурирование информации, запись ее в БД центров сбора данных второго уровня. Центры сбора данных, как правило, выполняют только функции сбора и обработки данных, АРМы пользователей подключаются к ним по локальной сети. При небольшом количестве счетчиков на объекте центр сбора данных первого уровня может выполнять функции АРМа. Центры сбора данных 1-го уровня связаны с центрами сбора данных 2-го уровня каналами связи. Каналы связи могут быть выделенными, коммутируемыми, прямым соединением по локальной сети. Сервер сбора данных центра сбора данных 2-го уровня автоматически запрашивает необходимую информацию из БД центров сбора данных 1-го уровня в соответствии с установленным расписанием. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АСКУЭ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Смысл создания и использования АСКУЭ заключается в постоянной экономии энергоресурсов и финансов предприятия при минимальных начальных денежных затратах. Величина экономического эффекта от использования АСКУЭ достигает по предприятиям в среднем 15-30% от годового потребления энергоресурcов, а окупаемость затрат на создание АСКУЭ происходит за 2-3 квартала. На сегодняшний день АСКУЭ предприятия является тем необходимым механизмом, без которого невозможно решать проблемы цивилизованных расчетов за энергоресурсы с их поставщиками, непрерывной экономии энергоносителей и снижения доли энергозатрат в себестоимости продукции предприятия. Постоянное удорожание энергоресурсов требует от промышленных предприятий разработки и внедрения комплекса мероприятий по энергосбережению, включающих жесткий контроль поставки/потребления всех видов энергоресурсов, ограничение и снижение их доли в себестоимости продукции. Современная АСКУЭ является измерительным инструментом, позволяющим экономически обоснованно разрабатывать, осуществлять комплекс мероприятий по энергосбережению, своевременно его корректировать, обеспечивая динамическую оптимизацию затрат на энергоресурсы в условиях изменяющейся экономической среды, таким образом АСКУЭ является основой системы энергосбережения промышленных предприятий. Первый и самый необходимый шаг в этом направлении, который надо сделать уже сегодня, - это внедрить автоматизированный учет энергоресурсов, позволяющий учитывать и контролировать параметры всех энергоносителей по всей структурной иерархии предприятия с доведением этого контроля до каждого рабочего места. Благодаря этому будут сведены к минимуму производственные и непроизводственные затраты на энергоресурсы, это позволит решать спорные вопросы между поставщиком и потребителем энергоресурсов не волевыми, директивными мерами, а объективно на основании объективного автоматизированного учета.