Типовые приборы измерения и контроля

Измерения с помощью специальных средств являются основой оценки физических величин, характеризующих технологические параметры процесса, а также показатели состава и качества продукции. Наибольшую группу средств измерений, применяемых в отрасли, составляют измерительные приборы. Информация о технологических параметрах или показателях качества продукции воспринимается первичным измерительным преобразователем и по каналу связи передается на измерительный прибор.

Данная структурная схема (рис. 6.3) основывается на применении электроизмерительной аппаратуры для измерения неэлектрических величин, характеризующих технологические процессы отрасли (температура, давление, расход и др.). Широкое применение электрических измерений неэлектрических величин можно объяснить рядом преимуществ: возможностью непрерывного во времени измерения и записи измеряемой физической величины, дистанционностью и высокой точностью измерения, а также широким диапазоном измерений. В основе работы рассматриваемой схемы лежат преобразование, сравнение и передача на расстояние электрических сигналов.

Величину электрических сигналов измеряют посредством унифицированных, стандартных измерительных приборов. Так, для измерения электрических сигналов в виде, например, электродвижущей силы (ЭДС) применяют автоматические потенциометры; параметров электрических цепей (активного сопротивления) — приборы с мостовыми схемами (автоматические мосты). Различают компенсационные и мостовые схемы приборов для измерения физических величин.

Компенсационная схема. Она является одной из типовых схем измерительных приборов. Принцип ее действия основывается на уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным падением напряжения на калиброванном сопротивлении, г. с. на сопротивлении известной величины. В компенсационной измерительной схеме (рис. 6.4) уравновешивающее падение напряжения создается рабочим током /_раб на реохорде (компенсационном резисторе) Я_р. Источник питания Б (батарея) должен обеспечивать постоянный рабочий ток /_раб. Однако ЭДС батареи с течением времени изменяется, так как в ней протекают необратимые электрохимические процессы. Поэтому рабочий ток в цепи поддерживается постоянным путем изменения сопротивления реостата Я.

Рис. 6.3. Структурная схема прямого измерения.

Рис. 6.4. Компенсационная измерительная схема с нормальным элементом.

Кроме того, измерительная схема включает нормальный элемент НЭ, контрольный резистор Я_к, предназначенный для установки рабочего тока /_раб, и нулевой прибор ЯЯ, который присоединен к зажиму а реохорда Д_р и переключателю Я. Если переключатель установить в положение К (контроль), то падение напряжения на резисторе Д_к будет равно ЭДС Е" _э нормального гальванического элемента, имеющего при 20 °C ЭДС, равную 1,1 830 В. В этом случае выполняется условие Е_нэ = /_рабД_к> ^т-^е— ^ток через нулевой прибор не протекает и его стрелка устанавливается на нулевой отметке шкалы. Это равенство достигают посредством изменения сопротивления реостата К

При измерении неизвестной ЭДС Е_х переключатель Я устанавливают в положение И (измерение). Если между Е_х и падением напряжения 11_аЬ на участке реохорда аЬ существует неравенство, то в измерительной цепи будет протекать ток разбаланса, величину которого можно определить по отклонению стрелки нулевого прибора. Перемещением движка Д реохорда (скользящий контакт) добиваются того, чтобы падение напряжения стало равно величине измеряемой ЭДС, т. е. и_аЬ = Е_х В этом случае стрелка нулевого прибора устанавливается на нулевой отметке шкалы. Уравнение, описывающее работу компенсационной измерительной схемы, записывается следующим образом:

или

Так как ЭДС нормального элемента ?_11Э и сопротивление — величины постоянные, то определение Е_х сводится к вычислению линейного размера участка реохорда ЯДаЬ) между точками а и Ь, т. е. левее движка Д. Если установить шкалу около реохорда, то по ней можно определить величину /?_р(аЪ), а следовательно, и измеряемую ЭДС Е_х.

Мостовая схема. Она лежит в основе работы большой группы измерительных приборов. Принципиальная схема уравновешенного моста постоянного тока (рис. 6.5) включает сопротивление термопреобразователя /?_т, сопротивление реохорда Я_{ и сопротивление резисторов Я₂ ^и

В одну диагональ моста аЬ включен источник питания II_п, а в другую, сс1, — нулевой прибор НИ. Наибольшее распространение в практике технологических измерений получила схема уравновешенного моста, для которой условие равновесия записывается уравнением

Рис. 6.5. Принципиальная схема уравновешенного моста постоянного тока.

В момент равновесия сила тока I будет равна нулю. Тогда Я_г = /?₃ / Я₂

при условии, что сопротивления Я₂ и Я₃ известны.

При изменении сопротивления К_Т состояние равновесия достигается изменением сопротивления реохорда Так как отношение сопротивлений /?₃ / Я₂ — величина постоянная, то определенному значению Я_т соответствует определенная величина Шкала реохорда может быть градуирована либо в омах, либо в единицах неэлектрической величины, для измерения которой предназначена схема, например, в градусах Цельсия.

Рассмотренная измерительная схема лежит в основе работы автоматических уравновешенных мостов. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста (рис. 6.6) состоит из следующих элементов: Я~ — реохорд; Д — движок реохорда; Д_ш — шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления 2?_р до заданного нормированного значения, величина которого определяется по уравнению Л_{|) Пор} = /?_р7?_ш(/?_р+/?_|1|)^-1 = 90 или 100± ±0,1 Ом; ТО — токоотвод; Я_п — резистор для установления предела измерения; Я_д — резистор добавочный для подгонки начального значения шкалы (Я_д = 5,5 Ом); Я_{, Я₂ и Я₃ — резисторы мостовой схемы; Я', — балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; Я, — измеряемое сопротивление (термопреобразователь сопротивления); Я_л — подгоночные катушки сопротивления линии; У — усилитель; РД — асинхронный конденсаторный реверсивный двигатель; СД — синхронный двигатель; С, и С₂ — конденсаторы для создания необходимого фазового сдвига (90°) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки, а также необходимого напряжения (127 В) на обмотке возбуждения; С₃ — конденсатор, шунтирующий управляющую обмотку реверсивного двигателя для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; К — каретка с указателем и пером.

Рис. 6.6. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста.

Рассмотрим работу схемы автоматического уравновешенного моста. Изменение сопротивления Я_т термопреобразователя приводит к нарушению равновесия мостовой схемы. Напряжение разбаланса подается на вход усилителя У, в котором оно повышается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя. Реверсивный двигатель будет вращаться в ту или другую сторону в зависимости от знака напряжения разбаланса. По достижении равновесия в мостовой схеме реверсивный двигатель останавливается, а так как он связан с движком реохорда и кареткой, то положение указателя каретки будет соответствовать измеряемому сопротивлению термопреобразователя, т. е. температуре. Данная измерительная схема питается от источника переменного тока напряжением 6,3 В, частотой 50 Гц. В случае использования постоянного тока в схему включают вибропреобразователь.

При выполнении технологических измерений приборы располагают на значительных расстояниях от измерительных преобразователей. Наличие линий связи (проводов), соединяющих измерительный преобразователь, например термопреобразователь сопротивления с измерительным прибором (автоматическим мостом) при колебаниях температуры окружающей среды может привести к погрешностям измерения. Для исключения указанной погрешности используют трехпроводную схему подключения термопреобразователей сопротивления и вводят подгоночные катушки сопротивления Д_л.

Кроме приборов с мостовыми схемами измерения применяют приборы магнитоэлектрической системы, которые называются логометрами. Принцип действия их основан на том, что угол поворота подвижной системы, помещенной в поле постоянного магнита, состоящей из двух жестко связанных между собой рамок, пропорционален отношению величин токов, протекающих по этим рамкам.

Описанные выше типовые измерительные схемы используют в автоматических измерительных приборах, которые в соответствии с назначением и условиями эксплуатации обеспечивают измерение, запись, сигнализацию и формирование регулирующего воздействия.