PLC控制系统设计的基本步骤和内容

原创 2020-08-22 14:02  阅读

  KM9K确定系统运行方式与控制方式。 选择输入设备(按钮、操作开关、限值开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件).以及出输出设备驱动的控 制对象(电动机、电磁阀等)。 PLC机的选摊。包括机型选择、容量选择、I/()模块选择、电 源模块选择等。 设汁控制程序。控制程序是整个系统工作的软件.程序应经过反复调试、修改,直到满足要求为止。 编制控制系统的技术文件,包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I/()连接图、I/()地址分配表、控制软件。 当光线通过不均匀介质时,会发生偏离其直线传播方向的散射现象,它是由吸收、反射、折射、透射和衍射的共同作用引起的。散射光形 式中包含有散射体大小、形状、结构以及成分、组成和浓度等信息。 因此,利用光散射技术可以测量颗粒 的粒径大小。 由激光器(一般为He-Ne 激光器或半导体激光器)发出的光束。经空间 滤波器和扩束透镜后,得到了一个平行单色光束,该光束照射到由分 散系统传输过来的颗粒样品后发生散射现象。研究表明,散射光的角 度和颗粒直径成反比,散射光强随角度的增加呈对数衰减。这些散射 光经傅立叶透镜后成像在排列有多环光电探测器的焦平面上。多环探 测器上的中央探测器用来测定样品的体积浓度,外围探测器用来接收 散射光的能量并转换成电信号,而散射光的能量分布与颗粒粒度分布 直接相关。通过接收和测量散射光的能量分布就可以反演得出颗粒的 粒度分布特征。 二散射理论的发展史 激光粒度仪主要依据Fraunhofer 衍射和Mie 散射两种光学理论。下面 就激光粒度仪散射理论的发展历史作简要阐述: 散射理论的研究开始于上一世纪的70 年代。1871 年,瑞利 (LordRayleigh)首先提出了著名的瑞利散射定律,并用电子论的观点解 释了光散射的本质[1]。瑞利散射定律的适用条件是散射体的尺寸要比 光波波长小。1908 年,米氏(G.Mie)通过电磁波的麦克斯韦方程,解 出了一个关于光散射的严格数学解,得出了任意直径、任意成分的均 匀粒子的散射规律,这就是著名的米氏理论[2]。1957 H.C.VandeHulst出版了关于微小粒子光散射现象的专著,总结了粒子 散射的普遍规律,受到科技界人士的广泛注意,这本专著被认为是光 散射理论领域的经典文献[3]。1969 年,M.Kerker 系统论述了光及电 磁波散射的一般规律,为散射理论的进一步发展做出了贡献[4]。1983 年,C.F.Bohren,O.R.Huffman 综合前人的成果,又发表了关于微小粒 子对光散射及吸收的一般规律,更全面地解释了光的各种散射现象 [5]。至此,散射理论的体系建立起来了。 1976 年J.Swithenbank 等人利用米氏理论在时(d 为散射粒子的直径, 为光波波长)的近似式夫琅和费(Franhofer)衍射理论发展了 激光粒度仪[6],开辟了散射理论在计量测试中的又一新领域。由于光 散射法适用范围宽,测量时不受颗粒光学特性及电学特性参数的影 响,因此在随后的三十年时间内已成为粒度计量中最为重要的方式之 三散射理论的介绍1.瑞利散射定律 1871 年,瑞利首先从理论上解释了光的散射现象,并通过对远小于 光波波长的微小粒子散射进行了精密的研究,得出了著名的瑞利散射 定律,这就是散射光强度与入射光波长的四次方成反比, 即:Isca1/4 式中,Isca 为相应于某一观察方向(与入射 光成角)的散射光强度,为入射光的波长。瑞利认为, 一束光射入散射介质后,将引起散射介质中每个分子作强迫振动。这 些作强迫振动的分子将成为新的点光源,向外辐射次级波。这些次级 波与入射波叠加后的合成波就是在散射介质中传播的折射波。对均匀 散射介质来说,这些次波是相干的,其干涉的结果,只有沿折射光方 向的合成波才加强,其余方向皆因干涉而抵消,这就是光的折射。如 果散射介质出现不均匀性,破坏了散射体之间的位置关系,各次波不 再是相干的,这时合成波折射方向因干涉而加强的效果也随之消失, 也就是说其它方向也会有光传播,这就是散射[1]。 2.米氏散射 Mie 散射1908 年G.Mie[7]在电磁理论的基础上,对平面单色波被位 于均匀散射介质中具有任意直径及任意成分的均匀球体的散射得出 了严格数学解。根据Mie 散射理论[8],介质中的微小颗粒对入射光 的散射特性与散射颗粒的粒径大小、相对折射率、入射光的光强、波 长和偏振度以及相对观察方向(散射角)有关。激光粒度仪正是通过对 散射光的不同物理量进行测量与计算,进而得到粒径的大小、分布及 颗粒的浓度等参数。当一束强度为I0 的自然光或平面偏振光入射到 各向同性的球形颗粒时,散射光强分别为[9]: 式中:、、a 如前所述,m=(n-i)为颗粒相对于周 围介质的折射率(不为零表示颗粒有吸收),r 为颗粒到观察面的 距离,为入射光的电矢量相对于散射面的夹角,而s1、s2 分别 为垂直及平行于散射平面的振幅函数分量,是由Bessel 函数和 Legendre 函数组成的无穷级数[8]。 3.Fraunhofer 衍射 光的衍射是光波在传播过程中遇到障碍物后,偏离其原来的传播方向 弯入障碍物的几何影区内,并在障碍物后的观察屏上呈现光强分布的 不均匀现象。光源和观察屏距离衍射物都相当于无限远时的衍射即为 Fraunhofer 衍射,其衍射场可在透镜的后焦面上观察到。设透镜焦距 为f,颗粒的直径为D,入射光在颗粒周围介质中的波长为, 则在透镜后焦面上的颗粒的衍射光强为[10]: 式中:I0 为入射光强度,a 为颗粒尺寸参数(=D/), Sd 为衍射光振幅函数,i1、i2 为衍射光强度函数(i1=i2),J1 为一阶Bessel 函数,为衍射角。对于Fraunhofer 衍射,总的消光系数Ke=2[3]。 文献[7]直接运用Fraunhofer 衍射测量大颗粒的粒径,20 世纪70 年代 左右国外研制出了基于Fraunhofer 衍射理论的激光粒度仪。 4.Fraunhofer 衍射和Mie 散射的比较 理论分析认为,当颗粒与波长相比大很多时,Fraunhofer 衍射模型本 身有较高的精确性,可看作是Mie 散射的一种近似[9]。由于Mie 论计算复杂和计算机不易执行,早期的激光粒度仪一般都工作于Fraunhofer 衍射原理,凯发下载。随着科学技术和计算机的发展,仪器制造商先 是在亚微米范围内采用Mie 理论,后来又在全范围内采用,称为全 Mie 理论。原先以为大颗粒的测量可以使用Fraunhofer 衍射理论,但 是置于光场中的大颗粒除了具有衍射作用外,还有由几何光学的反射 和折射引起的几何散射作用,后者就强度而言远小于前者,但总的能 量不相上下。用衍射理论计算光能分布显然忽视了几何散射,因而有 较大误差[11],而Mie 散射理论是描述颗粒光散射的严格理论。有关 专家[11,12]认为,对非吸收性颗粒,用Fraunhofer 衍射理论分析散射 光能时,将会无中生有地认为在仪器的测量下限附近有小颗粒峰(如 果仪器可以进行多峰分析)。文献[12]通过Fraunhofer 衍射和严格Mie 散射的数值计算结果的对比指出,Fraunhofer 衍射适用的条件为:仪 器测量下限大于3m,或被测颗粒是吸收型且粒径大于1m 的。当仪器测量下限小于1m,或者用测量下限小于3m 仪器去测量远大于1m的颗粒时,都应该采用Mie 理论。另外, 颗粒的折射率对测量结果也有较大的影响。对吸收性颗粒而言, Fraunhofer 衍射结果同Mie 散射结果基本一致。而对于非吸收性颗粒, 两者就有一定的偏差。文献[13]认为,当颗粒的相对折射率的虚部 0.03 或3 时,必须用Mie 理论来计算系数矩阵。 四结论 本文就激光粒度仪的工作原理出发,简单阐述了散射理论的发展历 史,并对散射理论作了逐一的介绍,其中包括瑞利散射定律、米氏散 射、Fraunhofer 衍射,最后本文将Fraunhofer 衍射和Mie 散射理论在 实际应用中进行了定性比较,Mie 散射理论具有普适性,Fraunhofer 衍射理论较之而言有多方面的局限性。 淺談激光粒度儀散射理論 摘要:文中從激光粒度儀的工作原理入手,簡單概述瞭散射理論的發 展歷史,介紹瞭瑞利散射定律、米氏散射(Mie 散射)、Fraunhofer 衍射並對比瞭Fraunhofer 衍射和Mie 散射理論。 一激光粒度儀的工作原理 它是由吸收、反射、折射、透射和衍射的共同作用引起的。散射光形式中包含有散射體大小、形狀、結構以及成分、組成和濃度等信息。 因此,利用光散射技術可以測量顆粒 的粒徑大小。 由激光器(一般為He-Ne 激光器或半導體激光器)發出的光束。經空間 濾波器和擴束透鏡後,得到瞭一個平行單色光束,該光束照射到由分 散系統傳輸過來的顆粒樣品後發生散射現象。研究表明,散射光的角 度和顆粒直徑成反比,散射光強隨角度的增加呈對數衰減。這些散射 光經傅立葉透鏡後成像在排列有多環光電探測器的焦平面上。多環探 散射光的能量並轉換成電信號,而散射光的能量分佈與顆粒粒度分佈直接相關。通過接收和測量散射光的能量分佈就可以反演得出顆粒的 粒度分佈特征。 激光粒度儀主要依據Fraunhofer衍射和Mie 散射兩種光學理論。下面 散射理論的研究開始於上一世紀的70年代。1871 年,瑞利 (LordRayleigh)首先提出瞭著名的瑞利散射定律,並用電子論的觀點解 釋瞭光散射的本質[1]。瑞利散射定律的適用條件是散射體的尺寸要比 光波波長小。1908 出瞭一個關於光散射的嚴格數學解,得出瞭任意直徑、任意成分的均勻粒子的散射規律,這就是著名的米氏理論[2]。1957 H.C.VandeHulst出版瞭關於微小粒子光散射現象的專著,總結瞭粒子 散射的普遍規律,受到科技界人士的廣泛註意,這本專著被認為是光 磁波散射的一般規律,為散射理論的進一步發展做出瞭貢獻[4]。1983年,C.F.Bohren,O.R.Huffman 綜合前人的成果,又發表瞭關於微小粒 子對光散射及吸收的一般規律,更全面地解釋瞭光的各種散射現象 [5]。至此,散射理論的體系建立起來瞭。 1976 年J.Swithenbank 等人利用米氏理論在時(d 為散射粒子的直徑, 為光波波長)的近似式夫瑯和費(Franhofer)衍射理論發展瞭 激光粒度儀[6],開辟瞭散射理論在計量測試中的又一新領域。由於光 散射法適用范圍寬,測量時不受顆粒光學特性及電學特性參數的影 響,因此在隨後的三十年時間內已成為粒度計量中最為重要的方式之 1.瑞利散射定律1871 光波波長的微小粒子散射進行瞭精密的研究,得出瞭著名的瑞利散射定律,這就是散射光強度與入射光波長的四次方成反比, 即:Isca1/4 式中,Isca 為相應於某一觀察方向(與入射 光成角)的散射光強度,為入射光的波長。瑞利認為, 一束光射入散射介質後,將引起散射介質中每個分子作強迫振動。這 向的合成波才加強,其餘方向皆因幹涉而抵消,這就是光的折射。如果散射介質出現不均勻性,破壞瞭散射體之間的位置關系,各次波不 再是相幹的,這時合成波折射方向因幹涉而加強的效果也隨之消失, 也就是說其它方向也會有光傳播,這就是散射[1]。 2.米氏散射 Mie 散射1908 散射理論[8],介質中的微小顆粒對入射光的散射特性與散射顆粒的粒徑大小、相對折射率、入射光的光強、波 長和偏振度以及相對觀察方向(散射角)有關。激光粒度儀正是通過對 散射光的不同物理量進行測量與計算,進而得到粒徑的大小、分佈及 的自然光或平面偏振光入射到各向同性的球形顆粒時,散射光強分別為[9]: 式中:、、a 如前所述,m=(n-i)為顆粒相對於周 圍介質的折射率(不為零表示顆粒有吸收),r 3.Fraunhofer衍射 Fraunhofer衍射,其衍射場可在透鏡的後焦面上觀察到。設透鏡焦距 式中:I0為入射光強度,a 為顆粒尺寸參數(=D/), Sd 為衍射光振幅函數,i1、i2 為衍射光強度函數(i1=i2),J1 為一階Bessel 函數,為衍射角。對於Fraunhofer 衍射,總的消光系數Ke=2[3]。 文獻[7]直接運用Fraunhofer 衍射測量大顆粒的粒徑,20 世紀70 年代 左右國外研制出瞭基於Fraunhofer 衍射理論的激光粒度儀。 4.Fraunhofer 衍射和Mie 散射的比較 理論分析認為,當顆粒與波長相比大很多時,Fraunhofer 衍射模型本 Mie散射的一種近似[9]。由於 Mie 論計算復雜和計算機不易執行,早期的激光粒度儀一般都工作於Fraunhofer 衍射原理,隨著科學技術和計算機的發展,儀器制造商先 是在亞微米范圍內采用 Mie Mie理論。原先以為大顆粒的測量可以使用Fraunhofer 衍射理論,但 和折射引起的幾何散射作用,後者就強度而言遠小於前者,但總的能量不相上下。用衍射理論計算光能分佈顯然忽視瞭幾何散射,因而有 較大誤差[11],而Mie 專傢[11,12]認為,對非吸收性顆粒,用Fraunhofer衍射理論分析散射 光能時,將會無中生有地認為在儀器的測量下限附近有小顆粒峰(如 果儀器可以進行多峰分析)。文獻[12]通過Fraunhofer 衍射和嚴格Mie 散射的數值計算結果的對比指出,Fraunhofer 器測量下限大於3m,或被測顆粒是吸收型且粒徑大於1m的。當儀器測量下限小於1m,或者用測量下限小於3m 的顆粒時,都應該采用Mie理論。另外, 顆粒的折射率對測量結果也有較大的影響。對吸收性顆粒而言, Fraunhofer 衍射結果同Mie 散射結果基本一致。而對於非吸收性顆粒, 兩者就有一定的偏差。文獻[13]認為,當顆粒的相對折射率的虛部 0.03 或3 時,必須用Mie 設汁控制程序。控制程序是整個系統工作的軟件.程序應經過反復調試、修改,直到滿足要求為止。 編制控制系統的技術文件,包括說明書、電氣原理圖及電氣元件明細表、I/()連接圖、I/()地址分配表、控制軟件。

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