Расчет измерительной схемы автоматических электронных уравновешенных мостов

• Введение
• 1. Расчет измерительной схемы автоматических электронных уравновешенных мостов
• 2. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра
• Список литературы
• Приложения

В измерительной технике широкое применение нашли схемы уравновешенных и неуравновешенных мостов. Для работы в комплекте с термометрами сопротивления распространение получили автоматические электронные уравновешенные мосты с переходными устройствами благодаря наличию у них следующих достоинств:

— высокой чувствительности;

— компенсации погрешности из-за влияния температуры на сопротивление соединительных проводов от термометра сопротивления к измерительному прибору;

— малой погрешности из-за нагрева термометра сопротивления к измерительным токам;

— нечувствительности измерительной схемы к изменению переходного сопротивления контакта реохорда, а также действия термо — и контактных ЭДС;

— линейности шкалы;

— незначительной чувствительности к колебаниям питающего напряжения (не нужен стабилизированный источник питания).

Приборостроительной промышленностью серийно выпускаются модификации комплексов автоматических электронных мостов и в большинстве случаев из их числа имеется возможность подобрать серийный прибор с типовой измерительной схемой. Однако, в процессе проведения технических измерений в промышленности или при исследованиях, а также в случае использования нестандартных измерительных преобразователей возникает необходимость переградуировки шкалы измерительного моста, то есть определить численные значения некоторых ее элементов.

Рисунок 1.1 — Измерительная схема автоматического электронного уравновешенного моста

ЭУ — электронный усилитель;

РД — реверсивный двигатель

На рисунке 1 показана измерительная схема автоматического электронного уравновешенного моста с термометром сопротивления, включенным по принципу трехпроводной цепи.

В измерительную схему, которая является типовой, входят следующие элементы: уравновешивающий реохорд R_p; шунтирующий резистор R_ш, ограничивающий ток реохорда; резисторы R_н и R_к; определяющие начальное и конечное значение (диапазон показаний) шкалы, соответственно, резисторы r_н и r_к, выполненные в виде спирали из манганиновой проволоки с d = 0,20,3 мм и I?100 мм, предназначенные для тонкой подгонки шкалы и являющиеся частями резисторов R_н и R_к; постоянные плечи моста R₁, R₂, R₃; переменное плечо моста — термометр сопротивления Rт; балластный резистор R_Б, ограничивающий ток через плечи моста для обеспечения минимального нагрева терморезистора; подгоночные резисторы r_п1 и r_п2, доводящие сопротивление каждой ветви соединительной линии rл до значения 2,5±0,01 Ом (условия градуировки по паспорту прибора). Сопротивление терморезистора вместе с соединительными проводами не должно превышать 200 Ом.

Одним из самых совершенных методов измерения, позволяющем измерять малые величины с высокой точностью, является компенсационный метод. Для измерения малых значений ЭДС используются автоматические компенсаторы постоянного тока, называемые автоматическими потенциометрами, когда они работают в комплекте с термопарами /3/. На входе такого компенсатора используется измерительное устройство сравнения напряжений, в котором измеряемая термо-ЭДС и компенсирующее напряжение, а также входная цепь усилителя некомпенсации включены последовательно. То есть в автоматическом потенциометре термо-ЭДС непрерывно компенсируется напряжением, снимаемым с реохорда измерительной цепи, которое является выходным напряжением неуравновешенной мостовой измерительной схемы. Следовательно, в основу построения автоматического потенциометра положена измерительная схема неуравновешенного моста.

Для обеспечения высокой чувствительности и линейности шкалы автоматического потенциометра необходимо обеспечить:

— постоянство сопротивления реохорда;

— стабильность тока, протекающего по реохорду;

— постоянство температуры свободных концов и чувствительности термопары.

Постоянство сопротивления реохорда обеспечивается применением для его изготовления проволоки из палладий-вольфрамового сплава ПдВ-20, имеющей высокостабильное удельное сопротивление, обладающей износоустойчивостью и антикоррозионными свойствами.

Необходимая стабильность измерительного тока, протекающего по реохорду, обеспечивается применением высокостабильного источника напряжения для питания измерительной схемы.

При проведении технических измерений в промышленности практически невозможно добиться постоянства температуры свободных концов термопары. Поэтому в автоматических потенциометрах применяют компенсацию погрешности, возникающей из-за изменения температуры свободных концов, путем включения медного резистора R_м. Изменение температуры резистора R_м вызывает изменение его сопротивления, но не появляется дополнительное падение напряжения, компенсирующее изменение термо-ЭДС. Эта компенсация происходит автоматически.

Линейность шкалы потенциометра достигается за счет применения высококачественных термопар с постоянной чувствительностью.

На рисунке 2 показана измерительная схема автоматического потенциометра, являющаяся типовой для измерения термо-ЭДС. Ее составными элементами являются /3/:

— реохорд R_р, который выполняет роль уравновешивающего устройства;

— шунтирующий резистор R_ш, предназначенный для ограничения тока через реохорд;

— резисторы R_н и R_к, определяющие начальное и конечное, соответственно, значения (диапазон показаний) шкалы. Резисторы r_н и r_к в виде спиралей являются частями резисторов R_н и R_к и предназначены для точной подгонки шкалы, их сопротивление обычно принимается равным 0,50,7 Ом;

— медный резистор R_м, предназначенный для автоматической компенсации влияния изменения tо — температуры свободных концов термопары;

— балластный резистор R_А, используемый для ограничения тока в измерительной схеме;

— сравнительный резистор R_с

— балластный резистор R_т, ограничивающий ток в цепи источника питания;

— переменный резистор R_рт для регулирования величины рабочего тока.

Электронный усилитель постоянного тока ЭУ включен в диагональ а-б и является нулевым индикатором. К выходу усилителя подключен асинхронный реверсивный микродвигатель РД.

Для питания измерительной схемы автоматического потенциометра используется стабилизированный источник постоянного тока ИПС, включенный в диагональ в-г. Привод диаграммной ленты отсчетного устройства осуществляется с помощью синхронного микродвигателя СД.

Рисунок 2 — Измерительная схема автоматического электронного потенциометра

ЭУ — электронный усилитель;

РД — реверсивный двигатель;

СД — синхронный двигатель

1. Расчет измерительной схемы автоматических электронных уравновешенных мостов

1.1 Тип резистора ТСП; градуировка 20;

t_н = 100 °C; t_В = 200 °C;

R_p = 120 Ом; R_э = 100 Ом;

U = 6,3 В;

_л = 50 м; ;

(медный провод);

.

1.2 По таблице П1 и значениям t_н и t_в определяются значения R_тн = 13,910 Ом и R_тк = 17,703 Ом.

1.3, S_л = 3,14• (1,5•10^-3) ²/ 4 = 1,77•10^-6 м²

r_л = 1,78•10^-8•50/ (1,77•10^-6) = 0,5028? 0,53 Ом.

1.4, R_ш = (120•100) / (120 — 100) = 600 Ом.

1.5 Rн = 4,5 Ом.

1.6 R2 = Rз = 300 Ом

N = { (R₂ + r_л — R_тн — R_н) ² + 4 • (R₂•R₄ + r_л•R_тн + R₂•R_тк + r_л•R_н) }

N = { (300 + 0,53 — 13,910 — 4,5) + 4• (300 • 4,5 + 0,53 • 13,910 + 300 • 17,703 +

+0,53 • 4,5) } = 326

R₁ = ((R_тн + R_н — R₂ — r_л) + (±N/2)).

R1 = ((13,910 + 4,5 — 300 — 0,53) + (±326)) / 2 = ((-282,12) + (±326)) / 2 = (-282,12 + +326) / 2 = 21,94 Ом.

1.7 R_п = R₂• (R_тк — R_тн) / (R₁ + R₂ + r_л).

R_п = 300 • (17,703 — 13,910) / (21,94 + 300 + 0,53) = 4 Ом.

1.8 R_к = (R_э•R_п) / (R_э — R_п).

R_к = 100 • 4/ (100 — 4) = 4,2 Ом.

1.9 R_Б = (U — J_max• (R_тн + R_н + R₃ + R_п + r_л)) / (2•J_max).

R_Б = (6,3 — 0,007 • (13,910 + 4,5 + 300 + 4 + 0,53)) / (2 • 0,007) =

= 288, 57Ом.

1.10 r_л =0,53, R₂ = 300 Ом R_Б = 288,57 Ом

R_ш = 600 Ом R_з = 300 Ом

R_н = 4,5 0 м R_п = 4 Ом

R₁= 21,94 Ом R_к = 4,2 Ом.

2. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

2.1 Исходные данные для расчета тип термопары — ТТП.

t_н = 800 °C; t_к = 1300 °C; R_р = 120 Ом;

л = 0,030; R_э = 90 Ом; t₀ = 0 °C;

= 40 °C; Е_нэ = 1,0186 В; U_ип = 5 В;

J₀ = 5 мА; R_ип = 1000 Ом.

2.2 J₁ = 3 • 10^-3 А; J₂ = 2 • 10^-3 А

2.3 Е_н = Е (t_н; 0) — Е (t₀; 0), Е_н = 7,345 — 0,000= 7,345? 7,34 мВ

Е_к = Е (t_к; 0) — Е (t₀; 0), Е_к = 13,155 — 0,000 = 13,155? 13,15 мВ

Е = Е_к — Е_н, Е = 13,15 — 7,34= 5,81 мВ = 5,81 • 10^-3 В.

2.4 R_c = 1,0186/ (2 • 10^-3) = 509,3 Ом.

2.5 R_ш = R_р • R_э / (R_р — R_э), R_ш = 120 • 90/ (120 — 90) = 360 Ом.

2.6 R_к = R_э • ?Е / (R_э • J₁ • (1 — 2 • л) — ?Е), R_к = 90•5,81 • 10^-3/ (90•3•10^-3• (1 — 2 • 0,030) — 5,81 • 10^-3) = 2,11 Ом

2.7 R_п = R_к • R_э / (R_к + R_э), R_п = 2,11•90/ 2,11 + 90 = 2,06

2.8 Е (;) = Е (;) — Е (; 0), Е (40; 0) = 0,299• 4/5 — 0,000 = 0,240 мВ =0,240 •10^-3 В

= 0,240•10^-3• (1+4,25•10^-3•0) / (2•10^-3•4,25•10^-3• (40 — 0)) = 0,705? 0,705 Ом

R_н = (7,34•10^-3+ 2•10^-3•0,705 — 3•10^-3•2,06 •0,030) / (3 •10^-3) =2,85 ?2,85 Ом.

2.9 Принимается r_н = r_к = 1 Ом.

2.10 R_А = (R_c • J₂ — (1 — л) • R_п • J₁ — Е_н) / J₁.

R_A = (509,3•2•10^-3 — (1 — 0,030) •2,06•3•10^-3 — 7,34•10^-3) / (3•10^-3) = 323,3805? 335,08 Ом

2.11

(R_т + R_рт) = 1000 — ((0,705 + 509,3) • (2,85 + 2,06 + 335,08)) // (0,705 + 509,3 + 2,85 + 2,06 + 335,08) = 1000 — 204 = 796 Ом

Принимаем R_т =750 Ом Rрт = 50 Ом.

2.12 Проверка расчета

(3•10) / (2•10) = (0,705 + 509,3) / (2,85+ 2,06 + 335,08)

1,50 = 1,4999.

2.13 R_с — 509,3 Ом R_п = 2,06 Ом R_А = 335,08 Ом

R_т = 750 Ом

R_к =2,11Ом

R_рт = 50 Ом R_м = 0,705 Ом

R_щ = 360 Ом R_н = 2,85Ом.

измерительная схема автоматический потенциометр

1. Мурин Г. А. Теплотехнические измерения. Изд.5-е, перераб. и доп. — М: Энергия, 1979.

2. Преображенский В. П. Технологические измерения и приборы. 3-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 704 с.

3. Коминов С. В. Метрология и технологические измерения отрасли. Учебное пособие. М.: МИСиС, 1995.104 с.

4. Приборы для измерения температуры контактным способом. Справочник под ред. Р. В. Бычковского. — Львов: Вища школа, 1979. — 208 с.

Приложения

Во всех случаях принимается сопротивление реохорда R_p = 120 Ом; напряжение питания измерительной схемы U = 6,3 В; соединительные линии выполнены из медных проводов с; максимальный допустимый ток через терморезистор .

Таблица 1 — Исходные данные для расчета измерительной схемы автоматического электронного уравновешенного моста

Значения следующих параметров во всех вариантах принимается одинаковыми: R_р = 120 Ом, Е_нэ = 1,0186 В, U_ип = 5 В,

J_о = 5 мА, R_ип = 1000 Ом.

Таблица 2 — Исходные данные для расчета измерительной схемы автоматического электронного потенциометра

Таблица П1 — Градуировочные характеристики термометров сопротивления

Таблица П2 — Номинальные статические характеристики (нсх) термоэлектрических преобразователей (ГОСТ 3044−84)