3.5. Автоматичний урівноважений міст

Урівноважений міст призначений для безперервного вимірювання, запису та регулювання температури. Він працює в комплекті з термометрами опорів стандартних градуювань, тобто має відповідність заданої межі вимірювання - градуювання термометра опору. Це означає, що кожному приладу відповідає певна група термометрів опору єдиного градуювання. Сутність дії термометрів опору заснована на залежності його електричного опору від температури.

Принципова вимірювальна схема розглянутого приладу - мостова. Вимірювання неелектричних величин електричними методами дуже широко поширені в галузі електротехніки та автоматики. Мостовою вимірювальною схемою користуються більше 100 років, а можливість вимірювання та фізична сутність роботи її вперше розглянуто в роботах французького дослідника Шарля Крісті (1831) і приблизно в ці ж роки англійським дослідником Вінстоном.

Різноманіття мостових схем базується на класичній мостовій схемі, яка являє собою кільце опорів (рис. 3.1). Опори з'єднані так, що утворюють вершини мосту а b,с і діагональ живлення ас і діагональ вимірювання bd.

Рис.3.1. Схема урівноваженого мосту: R_1, R₂, R_3, R₄ – резистори; ас – діагональ живлення; bd - діагональ вимірювання.

Вимірювання ґрунтується на дотриманні певного співвідношення між опорами (плечима) мосту, так званою умовою рівноваги.

Під умовою рівноваги вважається таке співвідношення опору мосту, при якій на вершинах вимірювальної діагоналі різниця потенціалів U_bd = 0 і в ланцюзі вимірювання відсутній вихідний сигнал. Станом U_bd = 0 відповідає рівність спаду напруг відповідально в прилеглих плечах, тобто

U₁ = U₄ і U₂ = U₃ (3.1)

За законом Ома

U₁ = I₁R₁; U₂ = I₁R₂; U₃ = I₂R₃; U₄ = I₂R₄; (3.2)

Підставляючи в рівність спаду напруг (3.1) їх значення, виражені через струми і опор (3.2), і поділивши почленно, отримаємо:

I₁R₁/ I₁R₂ = I₂R₄ /I₂R₃ (3.3)

або, скоротивши значення струмів I₁ і I₂, маємо рівність:

R₁R₃ = R₂R₄ (3.4)

яке називається класичним умовою рівноваги мостової схеми, яка читається так: "Якщо твори опорів протилежних плечей мостової схеми рівні між собою, то на вершинах вимірювальної діагоналі відсутня різниця потенціалів". Цей метод називається нульовим методом вимірювання опорів.

Принципова схема рівноважного мосту наведена на рис. 3.2.

Рис.3.2. Вимірювальний міст: R_р – реохорд; НИ – нуль-індикатор.

Мідний або платиновий термометр опору електричний опір якого має бути виміряно, включається в одне з плечей моста за допомогою сполучних проводів, які мають опір R. Інші плечі моста складаються з постійних манганінових опорів Rмг і змінного каліброваного опору реохорда Rр, виконаного також з манангина. До однієї діагоналі моста підведено харчування поcтійного або змінного струму, в іншу включений нуль-індикатор. При рівновазі моста задовольняється рівність:

R₁R_t = R₂R₄ (3.5)

звідки з урахуванням опору реохорда запишемо:

(R₁ + r₁ )R_t = (R₂ + r₂ )R₄ (3.6)

У цьому випадку різниця потенціалів між точками bd дорівнює нулю, струм не протікає через нуль-гальванометр і його стрілка встановиться на нулевій позначці. При зміні температури електричний опір термометра опору зміниться і міст розбалансовується. Щоб відновити рівновагу, необхідно при постійних опорів R₁, R₂ і R₄ змінити величину опору реохорда, перемістивши його рухомий контакт.

Таким чином, якщо відкалібрувати опір реохорда, то за положенням його движка при рівновазі моста можна судити про величину опору R₁, отже, про вимірюваній температурі.

Розглянемо принципову схему автоматичного електронного самописного рівноважного моста змінного струму (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Принципова схема електронного рівноважного моста

При зміні температури середовища, в якій знаходиться термометр опору, зміниться температура термометра і, отже, його електричний опір. Вимірювальний міст, що складається з постійних і змінних опорів (R₁, R₂ і R₄) і живиться напругою (6,3 В) від однієї з обмоток силового трансформатора, розбалансовується, і в діагоналі моста між точками b і d з'явиться напруга небалансу U_bd. Останнє подається на вхід електронного підсилювача (ЕП), де підсилюється по напрузі і потужності, потім надходить на реверсивний двигун РД і приводить у рух його ротор. Обертаючись в ту чи іншу сторону, залежно від знака розбалансу, ротор реверсивного двигуна переміщує механічно з ним пов'язані движок реохорда R_p, стрілку і перо за шкалою приладу до тих пір, поки вимірювальний міст не прийде в стан рівноваги. Напруга на вході електронного підсилювача (ЕП) в цьому випадку стане рівним нулю, електродвигун РД зупиниться, а прилад покаже вимірювану температуру.

Точність показань приладу залежить від підгонки опорів проводів, що з'єднують термометр опору з автоматичним рівноважним мостом. Для підгонки опорів з'єднувальних проводів до градуювального значення служать опору R_y і Ry^’ завбільшки до 2,5 Ом кожний. При градуюванні приладів опір кожного проводу, що йде від термометра до приладу, прийнято (2,5±0,01) Ом. Якщо опір кожного проводу буде менше 2,5 Ом, то в сполучну лінію послідовно включається додатковий опір, доповнює опір кожного проводу до 2,5 Ом.

У виробничих умовах термометр опору може знаходиться на значній відстані від вторинного приладу, при коливаннях температури середовища величина їх опору буде змінюватися, що призведе до додаткової похибки в показаннях автоматичного урівноваженого моста. Для усунення похибки застосовується трипровідна схема з'єднань термометра опору з вторинним приладом, яка полягає в тому, що точка с (рис. 3.4) переноситься безпосередній венно до термометру опору. При такому з'єднанні опір дроту додається до плеча вимірювального моста, а опір до пліча з постійним опором. Тоді умова рівноваги мостової схеми буде мати вигляд:

(R₁ + rR₁ )( R_t+ ) = (R₂ + rR₂+ )R₄ (3.7)

Вимірювальна схема автоматичного урівноваженого моста може харчуватися від сухої батареї постійного струму або від акумулятора з напругою 1,2-1,5 В. В такому випадку електронний підсилювач приладу повинен мати вібропереобразователь для перетворення сигналу небалансу постійного струму в змінний з метою його подальшого посилення.

Рис.3.4. Трипровідна схема з’єднання термометру опору

У зв'язку з цим рівноважні мости постійного струму застосовуються при можливій появі в вимірювальної ланцюга різних наведень (наприклад, при монтажі термометра опору в електропечах або місцях з великими магнітними полями). Крім того, мости постійного струму використовують в тих випадках, коли за умовами експлуатації приладів і пожежної безпеки їх харчування здійснюється малопотужними джерелами постійного струму.

Конструктивно автоматичний самопишущий рівноважний міст являє собою стаціонарний прилад, всі вузли якої розміщені всередині сталевого корпусу. Запис показань здійснюється на діаграмному папері, переміщуваного синхронним двигуном.

Промисловість випускає показуючі і записующі на дискову діаграму автоматичні рівноважні мости, показують і записують на стрічковій діаграмі мости КСМ2, КСМ3, КСМ4, покищо зв'язували мости з обертовою шкалою та інші модифікації. Принципові схеми їх подібні розглянутій схемі автоматичного рівновісного мосту і відрізняються лише конструкцією окремих вузлів.

Однак розглянутий вище тип електронного приладу має і ряд недоліків:

• малий діапазон вимірювання температури (до 600 0С);

• термометр опору, встановлюваний в технологічних апаратах, повинен розміщуватися в обсязі продукту;

• вторинний прилад не має спеціальних засобів вибухозахисту та ус-встановлюється тільки в приміщеннях КВПіА.