2.2 Автоматические измерительные системы

Вторичные преобразователи – это комплекс элементов, воспринимающих выходной сигнал датчика и преобразующих его в величину достаточную для привода исполнительного устройства в системах автоматического регулирования или контролирующего устройства в системах автоматического контроля.

К ним относятся магнитоэлектрический логометр и автоматический электронный уравновешенный мост – для измерения электрических сопротивлений, магнитоэлектрический милливольтметр и автоматический электронный потенциометр – для измерения электродвижущей силы или напряжения электрического тока, автоматический дифференциально-трансформаторный прибор – для измерения линейного перемещения или угла поворота.

Измерительные схемы вторичных преобразователей

П риборы, применяемые для автоматического контроля и регулирования технологических процессов, имеют различные измерительные схемы, вид которых определяется выходной величиной первичного преобразователя – датчика технологического параметра. Выходной величиной преобладающего большинства датчиков являются электрические величины – сопротивление, напряжение. Основные измерительные схемы: мостовые и схема логометра, компенсационные и схема милливольтметра, дифференциально-трансформаторная.

Мостовая схема может быть двух видов: неравновесная и уравновешенная. По роду источника питания схемы делятся на мосты постоянного и переменного тока.

Рассмотрим принципиальную схему равновесного моста на постоянном токе, приведенную на рисунке 1, состоящую из четырех активных резисторов R₁, R₂, R₃, R₄, соединенных в замкнутый четырехугольник. В диагональ ВГ включен измерительный прибор (гальванометр), а в диагональ АС – источник питания. Входящие в схему резисторы R₁, R₂, R₃, R₄ называются плечами или ветвями моста.

Если подобрать сопротивления плеч моста так, чтобы потенциалы точек В и Г, между которыми включён измерительный прибор, были одинаковы, то ток в цепи прибора будет отсутствовать.

Процесс подбора сопротивлений для достижения такого положения, при котором I_ПР=0 называется уравновешиванием или балансировкой моста, а сам мост – уравновешенным. На основании законов Кирхгофа можно записать:

;

.

Преобразовав и разделив уравнения одно на другое, получим:

.

Так как в момент равновесия ток в цепи прибора I_ПР=0 то I₁=I₂, I₃=I₄, т.е. или . Равновесие моста характеризуется отсутствием напряжения на измерительной диагонали и тока, проходящего через прибор. Этому состоянию соответствует равенство произведения сопротивлений противоположных плеч.

С помощью приведенной схемы можно измерить неизвестное сопротивление R_Х, включив его в одно из плеч моста вместо любого известного сопротивления, например R₄. При трех известных сопротивлениях R₁ , R₂ и R₃ неизвестное сопротивление R_Х равно:

.

В неуравновешенных мостах ток, проходящий через измерительный прибор, не равен нулю. Неуравновешенные мосты применяются в основном при измерениях неэлектрических величин электрическими методами. При этом датчик включается в одно из плеч моста, он представляет собой переменное сопротивление, величина которого должна изменяться соответственно изменению измеряемой величины. Таким образом, сопротивления трех плеч моста постоянны, а сопротивление четвертого R₄ переменное, его изменение нарушает равновесие моста, вследствие чего по измерительной диагонали моста потечет ток и стрелка прибора отклонится от нулевого положения.

Зависимость между током I_ПР в диагонали неуравновешенного моста и переменным сопротивлением R₄ выражается уравнением:

где U – напряжение, подаваемое на вершины диагонали моста;

R_ПР – сопротивление прибора;

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

Прибор может быть отградуирован в единицах измеряемой величины. Градуировка прибора справедлива только при определенном напряжении питания и постоянных сопротивлениях трех плеч моста. Использование неуравновешенного моста возможно только при условии постоянства напряжения питания U.

Неуравновешенные мосты обычно применяются в лабораторной практике и в приборах, исключающих влияние колебаний напряжения питания на показания прибора.