§ 20. Измерительные схемы и вторичные приборы

У большинства воспринимающих элементов выходная величина является электрической. При этом не всегда возможно измерить эту величину непосредственно прибором. В этом случае перед измерением выходную величину датчика (например, сопротивле­ние, емкость и т. д.) приходится преобразовывать в другой вид электрической величины, удобный для измерения. Такое преобра­зование осуществляется различными измерительными схемами.

В автоматических устройствах наибольшее распространение получили мостовые и компенсационные измерительные схемы.

Мостовая измерительная схема. Эту схему применяют в том случае, когда измеряемая величина преобразуется датчиком в из­менение активного или реактивного сопротивления. На рис. 36, а приведена мостовая измерительная схема. В одну диагональ моста включен источник постоянного напряжения, в другую — измери­тельный прибор.

Зависимость между сопротивлениями плеч моста, напряжением источника питания и током через измерительный прибор может быть определена с помощью схемы замещения. Эту схему можно легко составить, пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе. Согласно этой теореме любую линейную электрическую цепь для определения тока в любой ее ветви (например, диагонали аб рис. 36, а) можно заменить эквивалентным генератором, ЭДС ко­торого равна напряжению в этой ветви, когда ток в ней равен нулю, а внутреннее сопротивление равно сопротивлению остальной части цепи при условии, что все участки, на которых есть ЭДС, замкнуты накоротко.

Рис. 36. Мостовые измерительные схемы: а — принципиальная схема; б — эквивалентная схема; в — автоматический мост

В нашем случае для определения тока I прибора схема замеще­ния будет иметь вид, представленный на рис. 36, б. Согласно этой схеме получим:

I=E_э/(r_э+R_и) (12)

Подставляя E_э и r_э в выражение (12), получим

где E_э и r_э — параметры эквивалентного генератора; R_и — со­противление измерительного прибора.

Это общее выражение для тока измерительного прибора мосто­вой схемы. В случае, когда мостовая схема уравновешена, ток в из­мерительном приборе отсутствует, т. е. I = 0. Такое состояние схемы будет, как следует из (13), при

R1R4 = R2RЗ. (14)

Если одно из сопротивлений моста (например, сопротивление R1, которое является выходной величиной датчика) неизвестно, его можно определить по другим, известным сопротивлением в со-

стоянии равновесия схемы на основании условия (14): R1 = = R2 (R3/R4). Измерение сопротивлений при помощи мостовых измерительных схем нашло широкое применение в технологиче­ском контроле благодаря высокой точности и возможности автома­тизации процесса уравновешивания схемы.

На рис. 36, в показана схема автоматического моста, где соот­ношение между плечами может изменяться при помощи электро­механической следящей системы с реверсивным электродвигателем

Рис. 37. Измерительные схемы:

а — измерения ЭДС компенсационным методом; б — автоматического потенциометра; в — обобщенная схема вторичного прибора

РД, перемещающим движок реохорда R. На вход усилителя УС поступает сигнал разбаланса схемы с измерительной диагонали моста. Сигнал рассогласования после усиления поступает на ре­версивный двигатель, направление вращения которого зависит от знака рассогласования. Двигатель останавливается при достиже­нии равновесия моста, т. е. когда ток в измерительной диагонали равен нулю.

Компенсационная измерительная схема. Компенсационный ме­тод измерения основан на уравновешивании (компенсации) ЭДС датчика известным падением напряжения на калиброванном сопро­тивлении. Для иллюстрации этого метода измерения рассмотрим схему потенциометра (рис. 37, а), где Е_х — измеряемая ЭДС (на­пример, термо-ЭДС термопары); Е_н — ЭДС нормального элемента или другого высокостабильного источника; Е — ЭДС рабочего источника питания; НП — гальванометр (нуль-прибор); R_н — образцовое сопротивление для проверки величины рабочего тока I по нормальному элементу; R_p — сопротивление реостата; R — сопротивление реохорда; П — переключатель работ «Контроль К — Измерение И».

Перед началом работы необходимо установить определенное значение рабочего тока I. Для этого переключатель П ставится

в положение К и сопротивление R_p изменяется до тех пор, пока гальванометр НП не покажет отсутствие тока. Это состояние до­стигается при Е_н = IR_н. После установки рабочего тока переклю­чатель П переводится в положение И, после чего перемещением движка реохорда надо вновь добиться отсутствия тока в гальвано-метре. В состоянии компенсации

E_X = IR, (15)

где I—ранее установленное значение рабочего тока.

Из выражения (15) видно, что результат измерения опреде­ляется только положением движка реохорда, шкала которого мо­жет градуироваться в единицах Е_х или величины, функцией ко­торой является Е_х.

Компенсационные измерительные схемы широко применяют в технологическом контроле в связи с высокой точностью измере­ния и возможностью автоматизации процесса уравновешивания схемы. На рис. 37, б показана схема автоматического потенцио­метра, в которой для перемещения движка реохорда использована электромеханическая следящая система, реагирующая на рассогла­сование U между измеряемой ЭДС Е_х и компенсирующим напря­жением на участке ба U_ба Рассогласование U после усиления подается на реверсивный двигатель РД, направление вращения ко­торого зависит от знака рассогласования. Двигатель останавли­вается, когда Е_х = U_ба. Эта же следящая система может быть использована при проверке рабочего тока. Для этой цели ко входу усилителя необходимо подключить нормальный элемент и сопро­тивление R_н, а выходную ось реверсивного двигателя связать с движком регулировочного реостата.

Вторичные приборы. К ним относят устройства, воспринимаю­щие сигнал от датчика и преобразующие его в перемещение указа­теля относительно шкалы. В случае необходимости они осущест­вляют запись значений контролируемой величины на специальной диаграммной бумаге и сигнализацию при достижении контроли­руемой величиной установленных минимальных или максималь­ных значений.

В качестве электрических вторичных приборов применяют автоматические компенсаторы. Независимо от схемы датчика вторичный прибор состоит из следующих элементов (рис. 37, в): измерительной схемы ИС, электронного усилителя ЭУ, реверсивного двигателя РД и отсчетного устройства ОУ.

Автоматический компенсатор — это электромеханическое сле­дящее устройство, которое усиливает измерительный сигнал элек­тронным усилителем и, воздействуя на измерительную схему с по­мощью реверсивного двигателя, приводит ее в новое состояние — состояние равновесия или компенсации. Промышленность выпу­скает следующие компенсаторы: показывающие, с вращающейся шкалой, самопишущие, одноточечные и многоточечные.

Для определения назначения и типа компенсаторов приняты следующие обозначения: КП — компенсаторы с показывающей кру-

говой шкалой; KB — компенсаторы с вращающейся шкалой; КС — компенсаторы самопишущие с регистрацией измеряемой величины. Для указания параметра, измеряемого компенсатором, к пер­вым двум буквам, значение которых дано выше, добавляют третью: М — для компенсатора, работающих с первичными преобразовате­лями, которые меняют свое сопротивление; П — для компенсато­ров, работающих с первичными преобразователями ЭДС; Д, Ф и У — для компенсаторов, работающих соответственно с дифферен­циально-трансформаторными, ферродинамическими и токовыми пре-образевателями. Таким образом, прибор с обозначением КПП — это компенсатор показывающий для преобразователей, имеющих на выходе ЭДС (например, термопара), а прибор КСМ — компенса­тор самопишущий для преобразователей, которые меняют свое сопротивление (например, термометр сопротивления).