Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK a/ PNEUMATICKÉHO PROPORCIONÁLNÍHO VYSÍLAČE b/ PNEUMATICKÉHO P a PI REGULÁTORU c/ PNEUMATICKÉHO a SOLENOIDOVÉHO VENTILU
ad a/ Cejchování pneumatického proporcionálního vysílače 1.Teoretický úvod Pneumatický proporcionální vysílač je součástí pneumatického regulačního systému s tlakovým signálem 20 až 100 kPa a s napájecím tlakem 140 kPa. Představuje převodník mechanické výchylky na pneumatický signál (tlak). Je funkční jednotkou všech pneumatických vysílačů tlaku, tlakové diference, hladiny a teploty založených na principu vyrovnání výchylek. Zesilovač, nazývaný také ústřední pneumatický rozvod kapilára – dýza – klapka, je znázorněn na obr. 1, kde 1 je kapilára, 2...dýza, 3…klapka, pv…výstupní tlak, pn...napájecí tlak, h...vzdálenost klapky od dýzy. Statická charakteristika ústředního pneumatického rozvodu je zachycena na obr. 2. Vzdálenost h klapky od dýzy je funkcí hodnoty vstupní veličiny, představované mechanickou výchylkou. Závislost mezi výstupní veličinou, tj. tlakem pv, a vstupní veličinou h je v určitém rozmezí h přibližně lineární a lze ji popsat vztahem ∆p v = k .∆h
Obr. 1 Funkční schéma vysílače
(1)
Obr.2 Statická charakteristika vysílače 2. Zadání úlohy 1. Proměřte závislost výstupního tlaku proporcionálního pneumatického vysílače na zdvihu klapky v sedmi bodech při stoupajícím a klesajícím výstupním tlaku. 2. Vypočítejte závislost výstupního tlaku na poloze klapky a vyneste je graficky. 3. Vypočítejte v každém bodě měření relativní chybu a nakreslete graf průběhu relativních chyb. 3. Popis laboratorního zařízení a postup práce Schéma zapojení úlohy je na obr. 3, kde 1…pneumatický proporcionální vysílač, 2...mikrometr, 3...pneumatický zapisovač.
Obr. 3 Schéma zapojení úlohy Pracovní postup Na redukční stanici nastavíme tlak 140 kPa. Mikrometrem měníme polohu klapky vůči trysce pneumatického vysílače a na zapisovači odečítáme výstupní tlak pv. Měření provedeme v sedmi kontrolních bodech v rozsahu 20 až 100 kPa (0 až 100 % stupnice zapisovače),
přičemž vstupní veličina je nastavení mikrometru, kterým posouváme klapku vysílače a výstupní (závislá) veličina je výstupní tlak. 4. Pokyny pro zpracování výsledků Závislost výstupního tlaku na poloze klapky pv = a.h + b
(2)
vypočítejte lineární regresí. Pro výpočet relativní chyby uvažujte jako správnou hodnotu měřené veličiny hodnotu vypočítanou lineární regresí. ad b/ Měření přechodových charakteristik pneumatického PID regulátoru 1. Teoretický úvod Regulátor je členem regulačního obvodu, který se funkčně skládá ze dvou částí, porovnávacího a ústředního členu (obr.4)
Obr. 4 Funkční schéma regulátoru V porovnávacím členu se porovná skutečná (měřená) hodnota regulované veličiny pm s její nastavenou žádanou hodnotou pž (obě jsou ve formě jednotného unifikovaného signálu, kterým je u pneumatického regulátoru tlak vzduchu v rozmezí 20 až 100 kPa). Jejich rozdíl pm – pž = e, kde e je regulační odchylka, je vstupní veličinou ústředního členu. Ústřední člen pak, podle svých dynamických vlastností (P, PI, PD či PID regulátor), přetváří regulační odchylku na výstupní signál regulátoru, u pneumatických regulátoru tlak vzduchu pv v rozmezí 20 až 100 kPa. 2. Zadání úlohy 1. Proveďte cejchování P regulátoru v rozsahu nastavení 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150 a 200% pásma proporcionality. 2. Změřte přechodové charakteristiky (PCH) PI regulátoru pro zadané pásmo proporcionality
a Ti = 0,1; 0,15; 0,2; 0,35 a 0,5 minuty. Porovnejte hodnoty Ti nastavené na regulátoru a vypočtené z PCH. 3. Popis laboratorního zařízení a postup práce Schéma laboratorního zařízení je na obr. 5, kde 1 je ruční relé, 2..pneumatický kompaktní PID regulátor a 3..zapisovač.
Obr. 5 Schéma zapojení úlohy Pneumatické kompaktní regulátory jsou určeny pro regulaci technologických parametrů při řízení tepelně-technických procesů. Přístroj se skládá ze dvou funkčních celků – ovládací části regulátoru a regulačního bloku. Oba celky jsou vzájemně propojeny a namontovány na společné chassis. Regulační blok nebude popisován, schéma ovládací části je na obr. 6. Všechny ovládací prvky regulátoru jsou soustředěny na čelo přístroje (obr. 6), škrtící ventilky k nastavení pásma proporcionality, integrační, resp. derivační časové konstanty regulačního bloku jsou dostupné z boční strany regulátoru. Pracovní postup Otevřeme přívod tlakového vzduchu. Na redukční stanici nastavíme napájecí tlak 140 kPa. Cejchování P regulátoru. K dosažení pouze proporcionální funkce regulátoru nastavíme integrační časovou konstantu na maximum a derivační časovou konstantu na nulu. Zkontrolujeme zda páka přepínače je v poloze „ručně“. Točítkem ručního relé 1 nastavíme měřenou hodnotu (měřený tlak pm1) na zvolenou hodnotu, např. 50% stupnice regulátoru (červený ukazatel). Na stejnou hodnotu nastavíme točítkem pro nastavení žádané hodnoty žádanou hodnotu pž. Při stejných tlacích odpovídajících měřené a žádané hodnotě se kulička indikátoru beznárazového přepínače ustálí ve střední poloze. Točítkem pro nastavení výstupního tlaku regulátoru tento nastavíme na určitou hodnotu pv1 (např. 20%) na stupnici zapisovače 3. Po přepnutí přepínače z polohy ručně do polohy automat by se neměla změnit hodnota výstupního tlaku pv1.
Obr. 6 Ovládací panel regulátoru Po této kontrole přepneme přepínač zpět do polohy „ručně“. Pro vlastní cejchování si na vstupu do regulátoru nastavíme nějakou diferenci regulační odchylky, např. ∆e = 10%. Postupujeme např. tak, že ručním relé změníme hodnotu měřené veličiny z pml = 50% na pm2 = 60%, při zachování žádané hodnoty na původní, nastavené při kontrole. Bude platit ∆e = p m 2 − p m1 .
(3)
Pozn.: Stejné regulační odchylky bychom dosáhli i změnou žádané hodnoty, při zachování původní měřené. Na regulátoru postupně nastavujeme určité hodnoty pásma proporcionality z uvedeného rozsahu 10 až 200% (odpovídající zesílení ro = 1/pp. 100%). Cejchování proporcionální funkce regulátoru provedeme nastavením zvolené hodnoty regulační odchylky e na vstupu regulátoru a přepnutím páky přepínače z polohy „ručně“ do polohy „automat“. Na zapisovači odečteme změnu výstupního tlaku ∆pv = pv2 – pv1 . Z podílu diferencí ∆pv / ∆e vypočteme zesílení, které můžeme porovnat s nastaveným. Měření přechodových charakteristik PI regulátoru Z teoreticky známého průběhu PCH PI regulátoru víme, že grafické znázornění se skládá ze dvou částí. První, skokové, odpovídající nastavenému zesílení (pásmu proporcionality), a druhé, lineární, odpovídající nastavené integrační časové konstantě Ti . Pro určité nastavené pp a různě nastavená Ti je to znázorněno na obr.7
Obr. 7 Přechodové charakteristiky PI regulátoru K sestrojení PCH a jejich vyhodnocení stačí vést přímky dvěma body. Bod 1 je pro nastavené pp znám již z předchozího cejchování P regulátoru. Bod 21, 22 … získáme změřením času t1, t2 … , ve kterém ∆pv příslušně nastaveného regulátoru dosáhne námi předem zvolené diference výstupního tlaku, po zavedení skokové změny regulační odchylky na vstup ústředního členu regulátoru. Její realizace je stejná jako při cejchování regulátoru. 4. Pokyny pro zpracování výsledků Cejchování P regulátoru Provedená měření zpracujte do tabulky pp
ron
pm1
∆e
pm2
pv1
pv2
∆pv
ro
Nastavené zesílení regulátoru ron vypočítejte z příslušné hodnoty pásma proporcionality podle vztahu ron =
1 .100. % pp
(4)
Nakreslete grafickou závislost ro = f(ron). Měření PCH PI regulátoru Nastavenému zadanému pp = ..P regulátoru odpovídá ∆pv1 = …% Měření PCH zpracuje do tabulky Tin min
sec
∆pv2 %
t sec
Ti sec
min
kde Tin je na regulátoru nastavená a Ti z grafu odečtená hodnota integrační časové konstanty. Nakreslete grafickou závislost Ti = f(Tin). ad c/ Měření statických charakteristik regulačních ventilů 1. Teoretický úvod V regulačních obvodech, u kterých je akční veličinou průtok tekutiny, se nejčastěji jako akční členy používají ventily. U pneumatických regulátorů to je obvykle ventil s membránovým pohonem. Ten převádí výstupní tlak z regulátoru na změnu polohy kuželky ventilu a tím mění velikost průtoku tekutiny ventilem. Regulační ventil, jehož schéma je na obr. 8, kde 1 je membrána servopohonu, 2…kuželka ventilu, 3..ukazatel polohy kuželky ventilu se stupnicí, 4..vyztužení membrány, 5..pružina, 6..těsnění a 7..ruční relé.
Obr. 8 Schéma pneumatického regulačního ventilu
Hysterese ventilu je dána rozdílem poloh kuželky (zdvihu ventilu) odpovídajících stejným pracovním tlakům vzduchu na membránu regulačního ventilu a to jednou měřeno při jeho stoupání a po druhé při klesání s pětiminutovou vydrží na tlaku maximálním. Necitlivost ventilu – je maximální rozdíl tlaku vzduchu na membránu regulačního ventilu odpovídající v hysteresní křivce stejným polohám uzávěru armatury. Při použití elektrických regulátorů lze jako akční člen použít solenoidový ventil. U solenoidového proporcionálního ventilu fy ASCO je jeho vstupním signálem stejnosměrné napětí v rozsahu 0 až 24 V. Hysterese solenoidového ventilu je dána rozdílem objemových průtoků protékající ventilem a odpovídajících stejnému pracovnímu napětí vstupního signálu. A to jednou měřeno při jeho stoupání a po druhé při jeho klesání. Necitlivost je maximální rozdíl vstupního napětí odpovídající v hysteresní křivce stejnému objemovému průtoku tekutiny. 2. Zadání úlohy Změřte a vyhodnoťte do grafu hysteresní křivku pneumatického i solenoidového ventilu, z grafu určete jejich necitlivosti. 3. Popis laboratorního zařízení a postup práce Schéma zařízení na cejchování pneumatického regulačního ventilu je na obr. 8. Před vlastním měřením otevřete přívod tlakového vzduchu a na redukční stanici nastavte tlak 140 kPa. Úvodní vstupní tlak na membránu ventilu nastavte ručním relé na hodnotu 20 kPa a změřte polohu ukazatele zdvihu ventilu. Otáčením točítka ručního relé postupně zvyšujte vstupní tlak vždy o 10 kPa a odečítejte polohu ukazatele. Tak postupujte až do tlaku 100 kPa, zde cca 5 minut vyčkejte a obdobná měření proveďte při snižování tlaku na membránu. Schéma zapojení na měření statické charakteristiky solenoidového ventilu je na obr. 9, kde 1 je redukční stanice, 2…řídící člen s potenciometrem, 3...digitální voltmetr, 4...solenoidový ventil a 5…plynoměr
Obr. 9 Schéma zapojení úlohy Před měřením otevřeme přívod tlakového vzduchu a na redukční stanici 1 nastavíme tlak zadaný vyučujícím. Potenciometrem řídícího členu nastavíme pracovní napětí na ventilu (odečítá se na digitálním voltmetru) na minimální hodnotu, při které je již registrovatelný objemový průtok vzduchu na bubnovém plynoměru. K nastavenému pracovnímu napětí odměříme automatickými stopkami čas potřebný k průchodu jednoho litru vzduchu. Po té
točítkem potenciometru zvyšujeme postupně pracovní napětí vždy o 0,5 V a měříme odpovídající objemový průtok. Po dosažení max. průtoku cca 5 minut vyčkáme a obdobné cejchování provedeme pro snižující se pracovní napětí. 4. Pokyny pro zpracování výsledků Výsledky měření zpracujte tabelárně i graficky. Z grafu určete necitlivost ventilu. U solenoidového ventilu sestavte výsledky měření do tabulky Pracovní napětí U (V)
Čas odpovídající průtoku 1 litru (s)
Objemový průtok Q (1/min)
