Компенсатор самопишущий мостовой с полупроводниковым усилителем КСМЗ-Л.

Государственное профессиональное

Образовательное учреждение

«Енакиевский металлургический техникум»

ПМ 01. МДК. 01.02 Методы осуществления стандартных и сертификационных испытаний, метрологических поверок средств измерений

Раздел 2. Технологические измерения параметров процесса

Тема 2 «Измерение температуры»

Тема 2.12

Лекция 38

«Измерение сопротивления уравновешенным и неуравновешенным мостами. Автоматические мосты. Нормирующие преобразователи в комплекте с преобразователями сопротивления»

План.

1. Измерение сопротивления уравновешенным мостом.

2. Измерение сопротивления неуравновешенным мостом.

3. Условия применения двух, трех, четырехпроходных соединений мостовой схемы с термопреобразователем сопротивления.

4. Автоматические мосты. Принцип действия автоматического моста. Характеристика серийно выпускаемых автоматических мостов и их типы.

5. Нормирующие преобразователи в комплекте с преобразователями сопротивления.

6. Контрольные вопросы.

7. Вопросы для самостоятельного изучения.

8. Литература. Информационные ресурсы.

Преподаватель ____________________ Г.В. Лунина

1. Уравновешенные четырехплечные мосты являются наиболее простыми и распространенными приборами для измерения сопротивления термометра как при градуировке, так и при измерениях температуры в лабораторных условиях. При измерении сопротивления термометра с помощью уравновешенных мостов используется нулевой метод или метод отклонения. Необходимо отметить также, что мосты применяются не только для работы с термометрами сопротивления, но и датчиками других физических величин, выходным сигналом которых является изменение сопротивления от измеряемой величины.

Уравновешенный измерительный мост состоит из четырех резисторов (плеч), образующих две параллельные ветви.

Рисунок 1. Принципиальная схема уравновешенного моста с изменением сопротивления плеча

Два плеча моста и имеют постоянные и точно известные сопротивления. Третье плечо состоит из градуированного переменного резистора (реохорда) и четвертое из термометра сопротивления и двухжильного соединительного провода . В диагональ ab моста включен источник питания Б постоянного тока, а в диагональ cd – нулевой гальванометр Г и кнопка К.

При измерении температуры, перемещая движок у по реохорду, мост приводят в состояние равновесия, при котором ток в диагонали cd равен 0. Потенциалы в вершинах моста равны и ток I от источника питания разветвляется на две части и , вызывающие одинаковое падение напряжения на плечах и :

Поскольку падения напряжения на плечах моста и также равны, имеем:

Разделив первое равенство на второе, получим:

При имеем и .

Тогда уравнение примет вид:

Искомое сопротивление термометра равно:

Отношение сопротивлений плеч (плечи отношения), а также сопротивления соединительных проводов для данного моста – величины постоянные, поэтому каждому значению соответствует определенное сопротивление реохорда (плеча сравнения), шкала которого может быть градуирована в Ом или для определенного типа термометра – непосредственно в °С.

Общий вид уравновешенного моста для измерения сопротивления в лабораторных условиях представлен на рис. 2.

Рис. 2. Мост постоянного тока типа МО-56

Может также использоваться схема приведения моста в равновесие изменением при помощи реохорда отношения сопротивления плеч .

Рисунок 3. Принципиальная схема уравновешенного моста с изменением отношения сопротивлений плеч

В данном случае исключается возможная погрешность измерения из-за меняющегося переходного сопротивления подвижного контакта е на переменном плече , так как этот контакт переносится в диагональ моста ab, т.е. в цепь источника питания, где изменение сопротивления контакта не оказывает влияния на точность измерения.

Уравнение примет вид:

Задача 1.

Температура среды измеряется с помощью медного термометра сопротивления градуировки 23 и уравновешенного измерительного моста. Отношение постоянных плеч моста равно 0,01.

Определить искомую температуру t, если введенное сопротивление реохорда моста составляет 7719 Ом; а сопротивление проводов, соединяющих термометр с мостом, 5 Ом.

Решение.

По формуле находим искомое сопротивление нагретого термометра:

ом

Чтобы найти температуру среды воспользуемся таблицей 1 – градуировочные характеристики термометров сопротивления:

T=85°С.

Измерение сопротивления соединительных проводов в зависимости от температуры окружающего воздуха влияет на точность измерения температуры с помощью термометров сопротивления. Для уменьшения или полного устранения этой погрешности применяют: введение к показанию прибора поправки определяемой расчетным путем; сведение погрешности к заранее заданной допустимой величине путем выбора необходимого сечения и длины соединительных проводов; выполнение трехпроводной схемы включения термометра в измерительный мост.

Задача 2.

При температуре окружающего воздуха 20°С сопротивление медных проводов, соединяющих платиновый термометр сопротивления градуировки 21 с уравновешенным измерительным мостом, равно 5 Ом. Действительная температура, измеряемая термометром, составляет 300°С. определить абсолютную погрешность измерения и поправку к показанию прибора в случае, если температура соединительных проводов увеличится до 50°С.

Решение

Согласно формуле:

И по таблице 2 сопротивление медных соединительных проводов при температуре 50°С составит:

Ом

По таблице 1 сопротивление платинового термометра градуировки 21 при температуре 300°с равно 98,34 Ом. Тогда кажущееся сопротивление термометра при нагреве соединительных проводов:

Ом

что по таблице 1 соответствует температуре 304 °С.

следовательно, абсолютная погрешность измерения температуры

а=304-300=4°С

и поправка к показанию прибора:

с=-4°С

Задача 3.

Температура, измеряемая с помощью медного термометра градуировки 23, равна 75°С. Определить сечение и длину медных соединительных проводов, при которых колебание температуры окружающего воздуха на ±10°С вызывает погрешность измерения, не превышающую 1%.

Решение

Согласно таблице 1 сопротивление медного термометра при температуре 75°С равно 69,93 Ом, а при 0°С – 53 Ом.

По условиям примера предельное отклонение сопротивления соединительных проводов составляет от роста сопротивления термометра 1% или

Ом

что соответствует общему сопротивлению проводов при нормальной температуре:

Ом

Принимаем сечение провода 1,5 мм²; тогда согласно уравнению

где - удельное электрическое сопротивление проводника, s – поперечное сечение проводника

Задача 4

Определить напряжение разбаланса уравновешенного моста при измерении температуры медным термометром сопротивления градуировки 23, если температура изменилась от 100 до 150 °С, а отношение его балластных плеч составляет и .

Решение

Температурный коэффициент сопротивления для данного термометра составляет , следовательно при исходной температуре 100°С, его сопротивление составит:

Ом

При исходном напряжении сопротивление его сравнительного плеча:

Ом

При температуре 150 °С сопротивление термометра будет равно

Ом,

а сопротивление остальных плеч останется неизменным,

т.е. Ом, Ом, и Ом. Токи и , протекающие в ветвях моста, соответственно будут равны

Падение напряжения на сопротивлениях и , а следовательно и потенциалы в точках c и d соответственно составят:

Отсюда напряжение разбаланса моста составит:

2. Для измерения температуры в эксплуатационных условиях с помощью термометров сопротивления применяют в качестве показывающих приборов неуравновешенные мосты

Неуравновешенный измерительный мост ввиду невысокой точности показаний применяется только для технических измерений. В три плеч его включены постоянные резисторы - , а в четвертое в зависимости от положения переключателя П термометр сопротивления с соединительными проводами или контрольный резистор . К диагонали моста ab подключаются источник постоянного тока и реостат для установки рабочего тока, а к диагонали cd – пирометрический милливольтметр с внутренним сопротивлением .

Рисунок 4. Принципиальная схема неуравновешенного измерительного моста.

При изменении сопротивления переключатель ставится в положение Измерение; тогда в зависимости от величины , определяющей собой разность потенциалов на вершинах моста c и d, через рамку милливольтметра потечет ток и стрелка прибора отклонится на соответствующий угол.

Сила тока , проходящего через милливольтметр выражается уравнением:

где - разность потенциалов на вершинах моста а и b; К – многочлен, определяемый по формуле:

Задача 5.

Медный термометр сопротивления градуировки 23 включен в неуравновешенный измерительный мост. Сопротивление соединительных проводов 5 Ом. Определить сопротивление контрольного резистора из манганиновой проволоки диаметром 0,2 мм, если при включении его в мост стрелка милливольтметра устанавливается на красной черте, соответствующей по шкале температуре 65°С.

Решение

Согласно таблице 1 сопротивление медного термометра при температуре 65°С равно 67,68 Ом.

Если учесть сопротивление соединительных проводов, сопротивление контрольного резистора должно быть равно:

Ом

По формуле при удельном сопротивлении манганина 0,42 находим длину проволоки контрольного резистора:

3. Необходимо учитывать, что термопреобразователь сопротивления Rt часто находится на значительном расстоянии от измерительной схемы моста и влияние сопротивлений внешних соединительных проводов Rвн может быть существенным за счѐт изменения температуры окружающей среды. Уравнение баланса при этом имеет вид: R2R3=(Rt+2Rвн)R1. Этот недостаток устраняется применением трѐхпроводной схемы соединения моста с термометром сопротивления

Для реализации схемы одну из вершин диагонали (рис. 5) питания моста переносят непосредственно к .

Рисунок 5 - Трехпроводная схема подключения ТС к уравновешенному мосту.

Для уменьшения погрешности измерения вследствие изменения температуры соединительных проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором, применяют трехпроводную схему неуравновешенного моста (см. рис. 5) либо высокоомные термометры сопротивления.

Рисунок 6. Принципиальная трехпроводная схема неуравновешенного моста.

Сила тока, протекающего через милливольтметр, включенный в диагональ неуравновешенного моста, выражается следующим уравнением:

где - сопротивление моста в точках ab.

Из этого уравнения видно, что ток в милливольтметре пропорционален напряжению питания Uab, подаваемого к вершинам моста. Вследствие этого для обеспечения постоянства градуировки прибора необходимо поддерживать постоянным напряжение питания моста, что обеспечивается подгонкой сопротивления R_Р. Для контроля напряжения питания служит постоянное независимое от температуры контрольное сопротивление R_K, включаемое в схему вместо термометра сопротивления RT с помощью переключателя П.

Величину сопротивления R_K выбирают такой, чтобы контрольное деление на шкале, отвечающее этому сопротивлению, совпадало с наиболее часто измеряемой температурой. Поэтому величину R_K обычно принимают равной сопротивлению термометра и соединительных проводов, при котором стрелка устанавливается на двух третях шкалы. Эта контрольная точка на шкале милливольтметра обозначается красной чертой. Если при включении сопротивления R_K стрелка милливольтметра не дошла до красной черты, то напряжение питания мало, а если перешла – велико и, следовательно, необходима регулировка напряжения питания.

В последнее время широкое распространение получают четырехпроводные схемы включения термометра сопротивления.

Рисунок 7. Четырехпроводная схема подключения термометра сопротивления.

Ток I от генератора постоянного тока ГПТ протекает по сопротивлению Rt и создает на нем падение напряжения Ut = Rt I, которое в измерительном преобразователе ИП и преобразуется в выходной сигнал. Поскольку в данной схеме измеряется разность потенциалов между точками a и b, то падения напряжения на сопротивлениях Rл2, Rл3 не оказывает влияния на результат измерения. При достаточно высоком значении входного сопротивления ИП (Rвх >> Rл1 + Rл4) влиянием сопротивлений линий Rл1 , Rл4 можно пренебречь. Итак, схема обеспечивает независимость результатов измерения от изменения сопротивления линии связи. Недостатком такой схемы является необходимость изоляции от земли либо ГПТ, либо измерительного преобразователя. Для устранения данного недостатка могут использоваться и другие, более сложные, схемы подключения термометров сопротивления к измерительному преобразователю с четырехпроводной линией связи.

Следует учесть, что если измерительный прибор рассчитан на четырехпроводную схему, то датчик к нему можно подключить и по двухпроводной схеме. При этом дополнительная погрешность измерения, вызванная влиянием соединительных проводов, будет иметь величину порядка

(Rл2+ Rл3)/ Rt.

4. Для измерения и записи температуры на диаграммной бумаге в эксплуатационных условиях широко применяются вместе с термометрами сопротивления электронные автоматические уравновешенные мосты. Схема автоматического моста практически ничем не отличается от схемы лабораторного уравновешенного моста, рассмотренного выше. В автоматических мостах уравновешивание происходит не вручную, а автоматически с помощью электродвигателя и специального балансировочного устройства. Автоматические уравновешенные мосты, так же как и автоматические потенциометры, могут быть снабжены дополнительными

устройствами для регулирования и сигнализации температуры, а иногда и преобразователями для дистанционной передачи показаний. Эти мосты находят также применение для измерения других физических величин, изменения которых могут быть преобразованы в изменение активного электрического сопротивления. Шкала автоматических уравновешенных мостов градуирована в градусах Цельсия и действительна для работы с термометрами сопротивления соответствующей градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности, которые соответствуют установленным классам 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5 аналогично, как и для автоматических потенциометров. В настоящее время используются автоматические уравновешенные мосты типов КПМ, КВМ и КСМ1, КСМ2, КСМ3, КСМ4.

Конструкция и типоразмеры мостов серии КСМ полностью соответствуют типоразмерам автоматических потенциометров серии КСП.

Автоматические уравновешенные мосты выпускаются как одноточечные, так и многоточечные (3, 6 и 12 точек контроля).

В автоматических мостах используется измерительная схема четырехплечного моста с реохордом. Эта схема при обеспечении высокой точности измерения позволяет выполнять шкалы автоматического моста односторонние, двусторонние и безнулевые.

В автоматических электронных уравновешенных мостах ползунок реохорда перемещается не вручную, а автоматически. Измерительная схема таких мостов может быть запитана как постоянным, так и переменным током. В автоматических мостах переменного тока решающее значение имеют активные сопротивления. Автоматические мосты переменного тока имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питается от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т.е. не требуется дополнительного источника питания (сухого элемента), а также вибрационного преобразователя (модулятора) в составе усилителя.

Существует много различных модификаций автоматических уравновешенных мостов, но принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная схема электронного автоматического уравновешенного моста переменного тока. Резисторы постоянного сопротивления R₁, R₃, R₂ и R₄ измерительной схемы изготовлены из манганина, а реохорда R_р - из манганина или специального сплава. Измерительная схема питается переменным током, напряжение которого 6,3 В.

Термопреобразователь сопротивления подключают по трехпроводной схеме. Реохорд размещен в двух смежных плечах моста. Благодаря такой конструкции повышается чувствительность мостовой схемы, а также устраняется влияние переходного сопротивления подвижного контакта.

Кроме самого R_р, реохорда группа содержит шунты R_в и R_ш. Такое исполнение обусловлено тем, что реохорд является ответственным узлом, предназначенным для измерения. Поэтому его делают из проволоки специального сплава, обычно паладиевольфрамового. В случае необходимости изменить сопротивление, что бывает обусловлено потребностью изменения диапазона измерения, изменяют общее сопротивление R_пр этого участка за счет изменения R_в (иногда - и R_ш), оставляя при этом R_р стандартным. Шунт R_ш позволяет доказать эквивалентное сопротивление реохорда R_е = R_р R_ш / / (R_р + R_ш) вместе с шунтом до стандартного значения, а шунт К_е позволяет изменить диапазон измерений.

С помощью балластного резистора R_в в диагонали питания ограничивают рабочий ток для предотвращения изменение сопротивления R_б, через само разогрев ТО.

Конденсаторы С₁ и С₂ вместе с соответствующими обмотками образуют автоколебательные LС-контура, настроенные на резонансную частоту основного сигнала (50 Гц), благодаря чему сигналы высших гармоник (шумы) отфильтровываются. Кроме того, они шунтируют соответствующие обмотки РД для компенсации индуктивной составляющей тока в этих обмотках.

Напряжение разбаланса на вершинах с и d моста подается на вход ЭП, где она усиливается до значения, достаточного для приведения в действие РД. Последний, вращаясь в ту или другую сторону, смещает ползунок реохорда R_р, уравновешивающего измерительную схему моста, и одновременно перемещает стрелку отсчетного устройства и перо самописца прибора.

Рисунок 8. Принципиальная схема электронного автоматического моста переменного тока: ДП – вспомогательные устройства; СД – синхронный двигатель.

Аналогичную измерительную схему имеет и уравновешенный мост постоянного тока, однако его электронный усилитель дополнительно имеет вибрационный преобразователь (модулятор), поэтому узел усиления моста такой же, как и потенциометра.

Автоматические мосты разных групп отличаются конструкцией, габаритами, видом диаграммного бумаги, а также функциональным признакам: времени прохождения шкалы указателем (от 1 до 10 с), количеством точек измерений (1, 3, 6, 12), видом вспомогательного устройства. Как вспомогательные устройства, расширяющие функциональные возможности приборов, используют двух- или трехпозиционные регулировочные (сигнализирующие) устройства, преобразователи (реостатные, дифференциально-трансформаторные, феродинамичные, частотные, пневматические), линейные пневматические регуляторы.

Компенсатор самопишущий мостовой с полупроводниковым усилителем КСМЗ-Л.

Измерительная схема моста КСМЗ-П изображена на рис. 7. Питание моста переменным током осуществляется от одной из обмоток силового трансформатора полупроводникового усилителя. Балластный резистор R_б снижает напряжение с 6,3 до 1,5 В, чтобы ток питания не вызвал чрезмерного нагревания термометра сопротивления R_t.

В измерительной схеме КСМЗ-П сигнал с движка реохорда не сразу поступает на вход усилителя. Параллельно с реохорда положен токосъемник ТС, который имеет такую же конструкцию, как и реохорда.

Сопротивление обмотки реохорда R_р составляет примерно 130 Ом. Обмотку реохорда шунтирует резистор R_t, величину которого подбирают индивидуально к каждому реохорда в зависимости от градуировки и пределы измерений моста.

Шлейфы r служат для точной регулировки размаха шкалы прибора при градуированнии или для компенсации износа обмотки реохорда.

Резисторы R_а, и R_с, и R_b образуют плечи мостовой измерительной схемы.

Потому что сопротивление линии связи моста с термометром сопротивления зависит от длины и сечения проводов, в измерительную схему введены уравнительные (под гоночные) катушки R_К1 и R_К2, сопротивление которых вместе с сопротивлением соответствующих проводов линии связи равна 2,5 Ом.

В приборе имеется устройство контроля неисправности, которое состоит из тумблера-переключателя и дополнительного резистора R_п.

Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 165; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!