Автоматические мосты и автоматические потенциометры

Общие сведения об автоматических измерительных приборах

По аналогии с первичными измерительными преобразователями (первичными приборами, датчиками) автоматические измерительные приборы, работающие в составе систем автоматического регулирования, часто называют вторичными приборами.

Вторичные приборы, работающие в комплекте с датчиками систем автоматического регулирования, предназначены для измерения параметров технологических процессов, представления информации об их величине в виде показаний по шкале прибора и записи на диаграммной ленте (диске).

Вторичные приборы могут быть аналоговыми и цифровыми. В последнем случае показания осуществляются в виде цифровой индикации результатов измерений, а запись осуществляется в память цифровых вторичных приборов и на бумажный носитель.

Вторичные приборы, как правило, могут осуществлять сигнализацию предельных значений измеряемых физических величин.

Автоматические измерительные приборы (вторичные приборы) устанавливаются на местных щитах КИПиА, либо на щитах КИПиА в операторских пунктах.

Отечественной промышленностью в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП) и зарубежными фирмами выпускаются вторичные приборы как аналогового, так и цифрового типа, нормального и искробезопасного исполнения.

Для расширения функциональных возможностей вторичных приборов в них встраиваются выходные преобразователи, а также встроенные регулирующие устройства.

Вторичные приборы выпускаются одно- и многоканальные, на две, три и более точек измерения.

Методы измерения

Предварительно рассмотрим методы измерения, которые могут быть положены в основу работы измерительных схем вторичных приборов.

В современной науке об измерениях различают следующие методы измерений:

- методы прямого (непосредственного) измерения;

- методы сравнения (включают в себя группу методов сравнения: нулевой, - -

- дифференциальный, компенсационный и др.).

Наиболее часто в измерительных схемах автоматических вторичных приборов используют компенсационный и нулевой методы измерения.

Нулевой метод измерений заключается в сравнении со значением меры измеряемой величины. При нулевом методе результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на устройство сравнения сводится к нулю (доводится до нуля). Метод позволяет достичь высокой точности измерений и достаточно просто реализуется в автоматических измерительных устройствах.

Компенсационный метод измерений заключается в компенсации неизвестной величины измеряемого параметра известной величиной, вырабатываемой измерительной схемой вторичного прибора. Например, при измерении температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар) величина ЭДС е_Х, пропорциональная измеряемой температуры, компенсируется известной величиной ЭДС, вырабатываемой измерительной схемой вторичного прибора. Данный метод отличается также высокой точностью измерения, широко используется в различного рода автоматических компенсаторах (потенциометрах).

Автоматические мосты и автоматические потенциометры

По виду сигналов датчиков, с которыми работают вторичные приборы, различают:

автоматические уравновешенные мосты, работающие в комплекте с параметрическими датчиками, которые преобразуют технологический параметр в величину активного сопротивления (терморезисторы, реостатные датчики);

автоматические потенциометры, работающие в комплекте с генераторными датчиками, которые преобразуют технологический параметр в сигнал напряжения постоянного тока (термопары, радиационные пирометры, тахогенераторы постоянного тока);

автоматические вторичные приборы с дифференциально-трансформаторной схемой, работающие в комплекте с генераторными датчиками, которые преобразуют технологический параметр в сигнал напряжения переменного тока (дифференциально-трансформаторные датчики, тахогенераторы переменного тока);

автоматические вторичные приборы унифицированного сигнала, работающие в комплекте с датчиками, которые преобразуют технологический параметр в унифицированный сигнал постоянного тока, например 4 – 20 мА.

Измерительные схемы автоматических измерительных приборов в большинстве случаев представляют собой четырехплечный измерительный мост. Напомним основные термины и принцип работы простейшей мостовой схемы (рис. 1).

U _n

~ U _ПИТ

Рис. 1. Пример простейшей мостовой схемы

На схеме (рис. 1) резисторы R1, R2, R3, R4 составляют (образуют) плечи моста: R1 – плечо da, R2 - плечо ab, R3 - плечо bc, R4 - плечо cd. Относительно источника питания или диагонали питания db плечи da и bc, а также плечи ab и cd называют противоположными плечами моста. Пары плеч da и dc, а также ab и bc называют прилежащими (смежными) плечами.

Вершины а и с образуют измерительную диагональ мостовой схемы. К вершинам b и d подводится питание, и эту часть моста называют питающей диагональю моста.

Если для мостовой схемы выполняется условие:

R1 ∙ R3= R2 ∙ R4, (1)

то говорят, что мостовая схема находится в равновесии, а само условие (1) называют условием равновесия четырехплечного моста. Когда выполняется условие (1), то в измерительной диагонали ас напряжение отсутствует, U _НЕБ=0.

Если в одно из плеч мостовой схемы, например, в плечо da включить переменный резистор (например, терморезистор), изменяющий свое сопротивление в функции температуры, и подобрать остальные резисторы так, что, допустим, условие (1) будет выполняться при температуре 0 ⁰С, тогда при изменении температуры сопротивление терморезистора будет изменяться и, как следствие, будет нарушаться равновесие, и на измерительной диагонали ас напряжение U _НЕБ (напряжение небаланса) не будет равно нулю, U _НЕБ≠0.

Схема включения терморезистора показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема возможного варианта включения терморезистора по двухпроводной схеме

В автоматических измерительных мостах U_Н автоматически сводится к нулю благодаря введению в схему измерения переменного сопротивления R_t, усилителя (РД).

Условие равновесия для мостовой измерительной схемы (рис. 2) запишется:

(R_t + R_Л1 + R_Л2+ R₁) ∙ R₃ = R₂ ∙ R₄, (2)

где R₁ – сопротивление терморезистора;

R_Л1, R_Л2 – сопротивление соединительной линии;

R₁, R₂, R₃, R₄ – сопротивления резисторов плеч моста.

Измерительная схема, приведенная на рис. 2, это так называемая схема двухпроводного включения датчика (терморезистора) в измерительную схему моста. Недостаток такого включения R _t в схему измерения заключается в том, что даже при неизменяющейся величине R _t (измеряемая с помощью R _t температура постоянна) измерительный прибор ИП будет показывать наличие напряжения в измерительной диагонали ас, если будут изменяться сопротивления соединительных линий R _Л1 и R _Л2.

Изменения сопротивлений линий R _Л1 и R _Л2 зависят от температуры окружающей среды. Очевидно, что такая схема включения терморезистора в схему для практических применений непригодна, так как она имеет большую погрешность измерения из-за случайного колебания сопротивлений линий.

Для исключения влияния сопротивлений линий на результаты измерения, терморезистор R _t включают в измерительную схему моста по трехпроводной схеме (рис. 3).

R 1

R t

R _Л1

R 2

ИПС

R _Л2

Рис. 3. Схема включения терморезистора R _t в мостовую схему по трехпроводной цепи

При такой схеме включения R _t сопротивления линий R_Л1 и R_Л2 при записи условия равновесия оказывается в противоположных сторонах равенства, а не в одной, как в условии 2.

(R_t + R_Л1 + R₁) ∙ R₃ = R₂ ∙ (R_Л2 + R₄) (3)

Такая схема включения (рис. 3) применяется во всех случаях измерений по мостовой схеме в промышленности. Упрощенная принципиальная электрическая схема промышленного автоматического моста приведена на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная принципиальная электрическая схема автоматического моста

В состав автоматических мостов входят следующие элементы: мостовая измерительная схема, электронный усилитель, реверсивный электродвигатель, показывающий и записывающий узлы, выходное устройство для преобразования угла поворота показывающей стрелки в пропорциональный электрический сигнал для связи с регулятором автоматической системы регулирования, узел привода диаграммы.

Измерительная схема прибора представляет собой мост, в состав которого входят резисторы плеч R1, R2, R3, R4 и уравновешивающий переменный резистор R_Р, называемый реохордом.

В одно из плеч моста включается параметрический датчик технологического параметра (чаще всего терморезистор R _t) с помощью медных проводов сопротивлением R_Л. Мостовая измерительная схема питается напряжением переменного тока 6,3 В от специальной обмотки трансформатора, входящего в состав прибора.

Уравнение баланса моста для данной схемы запишется следующим образом:

(R1+ R_л2)·(R3+ R4+ Rр'')=(R_t+ R_л1+ Rр') · R2, (4)

Rр'+ Rр''= Rр.

При изменении контролируемого технологического параметра (например, температуры) изменяется величина активного сопротивления датчика R_t. Баланс мостовой схемы нарушается и на ее выходе появляется напряжение небаланса U_НБ, которое подается на электронный усилитель. На выходе усилителя включен реверсивный двигатель, вал которого начинает вращаться, перемещая через механическую передачу движок реохорда R_Р и изменяя тем самым соотношение сопротивлений Rр' и Rр'', включенных в смежные плечи моста. Таким образом, изменение величины сопротивления R _t, вследствие изменения технологического параметра (см. уравнение (4)), компенсируется перераспределением величин сопротивлений Rр' и Rр'', что приводит вновь к балансу мостовой измерительной схемы U_НБ =0.

При достижении баланса схемы двигатель остановится.

Одновременно с движком реохорда реверсивный двигатель перемещает показывающую и записывающую стрелки прибора. При достижении баланса измерительной схемы они займут положение, соответствующее изменившемуся значению технологического параметра.

Резистор R_Ш служит для подготовки сопротивления реохорда R_Р под стандартное значение (обычно 90 Ом), а сопротивления R5, R6 для установки верхнего предела измерения моста. Для установки нижнего предела измерения служат сопротивления R3, R4. Сопротивления R1 и R2 являются балластными.

Датчик технологического параметра R _t подключается к измерительной схеме медными проводами, поэтому при изменении температуры окружающей среды сопротивление этих проводов R_Л будет изменяться. Чтобы это изменение не оказывало влияния на точность измерения технологического параметра, датчик подключают к измерительной схеме по трехпроводной схеме с тем, чтобы сопротивления линий R_Л входили в смежные плечи мостовой схемы и в разные части уравнения баланса (4). Этим компенсируется влияние на точность измерения колебаний температуры окружающей среды.

В состав промышленных автоматических потенциометров входят те же элементы, что и в состав автоматических мостов: измерительная схема, электронный усилитель, реверсивный электродвигатель, показывающий и записывающий узлы, выходной преобразователь и узел привода диаграммы.

В основу автоматических потенциометров положен компенсационный метод, заключающий в компенсации неизвестной ЭДС, известной ЭДС и измерении величины этой компенсационной ЭДС.

В автоматических потенциометрах в качестве известной ЭДС используется напряжение (U_К) небаланса мостовой измерительной схемы, величина которого определяется по положению подвижного элемента реохорда (или по положению указывающей стрелки прибора). Неизвестной ЭДС служит ЭДС генераторного датчика технологического параметра (U_ТП) (например, термопары).

Измерительная схема потенциометра представляет собой мост постоянного тока, питание которого осуществляется от стабилизированного источника питания (ИПС), входящего в состав прибора. Назначение резисторов мостовой схемы R_Р, R_Ш, R₅, R₆, R₃, R₄, R₁, R₂ такое же, что и в измерительной схеме автоматического моста.

Генераторный датчик технологического параметра (термопара) подсоединяется к измерительной диагонали АВ измерительной схемы потенциометра последовательно и встречно.

Когда ЭДС термопары U_ТП равно 0 (при равенстве температур свободных и спаянных концов термопары), мостовая схема потенциометра находится в состоянии баланса и напряжение на его измерительной диагонали АВ U_К =0, а напряжение небаланса U_НБ, подаваемое на электронный усилитель, также равно, 0.

При изменении температуры спаянных концов термопары (температура контролируемого объекта) на свободных концах термопары возникает ЭДС (U_ТП), появляется напряжение небаланса U_НБ = U_ТП - U_К, которое усиливается электронным усилителем. Вал реверсивного двигателя, включенного на выход электронного усилителя, начинает вращаться и через механическую передачу перемещает движок реохорда, нарушая баланс мостовой схемы. На измерительной диагонали АВ появляется напряжение компенсации U_К. Вал реверсивного двигателя будет вращаться до тех пор, пока напряжение компенсации U_К не достигнет величины напряжения термопары U_ТП и напряжение U_НБ не будет равно 0.

Одновременно с этим вал реверсивного двигателя через механическую передачу перемещает записывающую и показывающую стрелки прибора и подвижный элемент выходного преобразователя, которые при остановке двигателя займут положение, соответствующее изменившемуся значению технологического параметра (температуры).

Основной погрешностью измерения автоматических потенциометров является погрешность, вносимая изменением температуры окружающей среды. Так как ЭДС термопары пропорциональна разности температур горячих и холодных спаев (U_ТП = k ∙ (t _r - t _λ)), то при изменении температуры окружающей среды, в которой находится холодный спай термопары, ЭДС термопары будет изменяться без изменения температуры горячих спаев (температуры объекта).

Для компенсации этой погрешности измерения один из резисторов мостовой измерительной схемы (R_М) выполняется медным и выносится из прибора в коробку холодных спаев термопары, соединяясь со схемой соединительными проводами. В этом случае при изменении температуры окружающей среды изменение ЭДС термопары будет компенсироваться изменением напряжения компенсации вследствие изменения сопротивления резистора R_М. Резистор R _φ и емкость С _ф образуют фильтр, служащий для снижения уровня помех переменного тока, наводимых в измерительной схеме.

Упрощенная принципиальная электрическая схема автоматического потенциометра приведена на рис. 5.

R р

Механическая

связь

R ш

R 5

R 6

Усилитель

R 1

R 3

Измерительная Реверсивный

схема двига-

тель

U нб

R 4

Источник питания стабилизированный (ИПС)

+ -

R 2

R м

Привод

диаграммы

Объект

измерения Лента

Преобразователь выходного сигнала

диаграммная

Линии связи

С φ

t 2

t 1

Термопара

R ф

Выходной

унифицированный

сигнал

Рис. 5. Упрощенная принципиальная электрическая схема автоматического потенциометра

4.5. Контрольные вопросы к лабораторной работе

Какие функции выполняют вторичные приборы в автоматических системах регулирования?
Объясните понятие «автоматические уравновешенные мосты».
Объясните понятие «автоматические потенциометры».
Объясните понятие «автоматические вторичные приборы с дифференциально-трансформаторной схемой».
Объясните понятие «автоматические вторичные приборы унифицированного сигнала».
Как называется метод измерения, положенный в основу работы автоматических измерительных мостов? Поясните метод.
Как называется метод измерения, положенный в основу работы автоматических потенциометров? Поясните метод.
С какими датчиками работают автоматические измерительные мосты?
С какими датчиками работают автоматические потенциометры?
Объясните схемы подключения датчиков к автоматическим уравновешенным мостам.
Объясните схемы подключения датчиков к автоматическим портенциометрам.
Как формируется условие равновесия мостовой схемы, и что это означает?
Расскажите работу измерительной схемы автоматического моста и автоматического потенциометра.