9.3. Аналоговые электрические приборы

Аналоговые устройства, используемые в измерительных ком­плектах для технологических измерений в ЦБП с унифициро­ванными датчиками, делятся на приборы прямого (миллиам­перметры, милливольтметры, логометры) и уравновешивающего (дифференциально-трансформаторные и ферродинамические приборы, мосты, потенциометры) преобразования.

Приборы прямого преобразования

Для измерения на постоянном токе используются магнц-трэлектрические измерительные приборы разнообразных конструктивных модификаций. Различают механизмы с под­вижной катушкой и с подвижным магнитом: те и другие бы­вают с внешним и с внутрирамочным магнитом, с креплениями подвижной системы на кернах-подпятниках, на растяжках или на подвесах.

На рис. 9-7 приведено конструктивное устройство магнито­электрических механизмов с рамкой /, укрепленной на растяж­ках 3 с внутрирамочным магни­том 5 и внешним кольцом 2 из маг-нитомягкой стали, являющемся магнитопроводом. Установка стрел­ки на нуль производится коррек­тором при помощи рычажка 6, действующего на пружину 7. Огра­ничители 4 служат для предохране­ния растяжек от обрыва при транс­портировке и трясках.

Выражение для вращающегося момента рамки определяется как произведение силы F на плечо 2г:

M_BP = F2r = BlwI2r = wSBI, (9-1)

где w и S=2rl — число витков и активная площадь рамки (г — радиус, / — активная длина рамки); В—индукция магнитного Рис. 9-7 поля; / — сила тока в рамке.

Противодействующий момент пружины, растяжки (или под­веса) определяется как произведение их удельного противодей­ствующего момента W на угол поворота рамки M_np=Wa. По­этому при статическом равновесии уравнение шкалы имеет вид

а = ^-1, (9-2)

а чувствительность механизма к току

da wSB

_s **₌»ъв__{ш (g}.₃₎

dl W ^к

Постоянная прибора составляет

w

Так как последние величины постоянны, т. е. не зависят от «гла отклонения, то шкалы магнитоэлектрических приборов равномерны.

При изменении направления тока изменяется направление движения подвижной части, поэтому для обеспечения ее пра­вильного отклонения необходимо при включении прибора со­блюдать указанную на приборе полярность.

Успокоение у магнитоэлектрических механизмов — магнитоиндукцион-ного типа. Специальное устройство для этой цели не требуется, так как при движении рамки в поле постоянного магнита в витках рамки, а также в ее металлическом каркасе индукцируются токи, в результате взаимодействия ко­торых с полем магнита создается момент успокоения.

Момент успокоения определяется ЭДС, возникающими в рамке е_р и каркаса е_к при их движении в поле постоянного магнита:

_е = w = — wSB ■;

da dt

dt dt

— SB

dt

Токи, протекающие по цепи рамки и короткозамкнугому каркасу,

dt

^ГР + ^гвн SB da Ггг dt

wSB da

1о =

i

'к

где r_B„ — сопротивление внешней цепи, на которое замкнута рамка; г_р, г„— сопротивление рамки и каркаса.

Г (wSB)² (SB)²' М_у = wSBip + SB 1ц = - — + -—-

Аналогично выражению (9-1) получим значение успокаивающего момента:

(^H^_{=(Pl + P2)}^.

dt dt

^rp -f" ^гвн

Подбором величины сопротивлений r_v и r„ можно обеспечить требуемый коэффициент успокоения pt+pz, в основном за счет выбора г_к, так как

»К<Гр+Гвн.

Магнитоэлектрические приборы используются чрезвычайно широко, так как относятся к числу наиболее чувствительных и точных приборов. Высокая чувствительность приводит к ма­лому потреблению энергии приборами (до нескольких микро­ватт), что особенно важно при работе с маломощными датчи­ками, например с термопарами.

Погрешность технических магнитоэлектрических миллиам-первольтметров может доходить до ±(0,1—0,2) %. Это объяс­няется рядом причин. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешность градуировки и отсчета. Благодаря сильному соб­ственному магнитному полю (порядка 0,2—0,3 Т) влияние

_ной цепи согласно выражению (9-2). В связи с этим при изме­рении ЭДС термопары показания прибора зависят от постоян­ства сопротивления измерительной цепи:

a = S,I = S_I , ₍₉_₅₎

^тп + Rup + ^?вх

где Rin — сопротивление термопары; R_np — сопротивление соединительных проводников; R_B\ — входное сопротивление милливольтметра.

Градуировка приборов, работающих с тем или иным типом термопары, указанной на шкале, выполняется при вполне опре­деленном значении сопротивления внешней цепи. Это значение

посторонних полей на показания приборов весьма незначи­тельно. Внешние электрические поля на работу приборов прак­тически не влияют. Погрешности из-за изменения магнитного потока и удельного противодействующего момента под дейст­вием температуры отчасти взаимно компенсируются. Кроме того, используются специальные измерительные цепи темпера­турной коррекции [45].

К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует от­нести невысокую перегрузочную способность. Перегрузка обыч­но ведет к перегоранию токоподводящих пружинок, которые одновременно используются для создания противодействующего момента.

Существенным ограничением для применения магнитоэлект­рических приборов является возможность измерения лишь в це­пях постоянного тока. Однако это ограничение преодолевается возможностью преобразования переменного тока в постоянный. Если в качестве таких преобразователей перед магнитоэлектри­ческим механизмом используются термопреобразователи, то такие приборы называются термоэлектрическими. Если приме­няются выпрямители, то получаются выпрямительные приборы [45]. И те и другие широко распространены для измерений в це­пях переменного тока, причем термоэлектрические приборы по­зволяют измерять токи практически любой частоты и формы кривой его изменения во времени.

Отмечается также, что магнитоэлектрические приборы более сложны по конструкции по сравнению с другими электромеха­ническими механизмами, например электромагнитными. Если сравнивать магнитоэлектрические приборы с автоматическими электронными аналоговыми и тем более цифровыми приборами, то следует отметить их сравнительную простоту, надежность и низкую стоимость.

С аналоговыми электрическими преобразователями ГСП применяют магнитоэлектрические миллиамперметры (у= = ±(0,2-1,0) %).

Для работы в комплекте с термоэлектрическими термомет­рами и рядом других датчиков (например с датчиками газо­анализаторов), преобразующих неэлектрическую измеряемую величину в малое напряжение постоянного тока, используются магнитоэлектрические милливольтметры. Они получили название пирометрических за преимуществен­ное использование в комплектах для измерения температуры.

В настоящее время эти приборы выпускаются в профильном исполнении для щитового монтажа показывающими, типа М-64, самопишущими, типа МСЩПр-00-18, и регулирующими МР-64—02 [1].

При использовании этих приборов совместно с термоэлект­рическими термометрами следует иметь в виду, что угол пово­рота рамки пропорционален току, протекающему в измеритель-

Я1 Р2 Л Я1 R2

¹ ! ¹

5 ^йтс

Рис. 9-8

во избежание дополнительных погрешностей от изменения тем­пературы окружающей среды должно точно выдерживаться при монтаже пирометрического милливольтметра. Градуировочная величина внешнего сопротивления, обозначаемого Р_Вн, стандар­тизуется и указывается на шкале и в паспорте прибора. Для обеспечения Р_вн заданного значения при сопротивлении линии г_л используется добавочное манганиновое сопротивление г_д, т. е. Rbn=r_n+r_a.

Для работы в комплекте с термометрами электрического сопротивления (и другими датчиками, преобразующими вход­ные величины в изменение электрического сопротивления) слу­жат магнитоэлектрические логометры.

Логометрами называются приборы, измеряющие отношение Двух величин. В отличие от обычных магнитоэлектрических при­боров, где противодействующий момент создается пружиной, в магнитоэлектрических логометрах (рис. 9-8, а) противодейст­вующий момент М_пр создается рамкой 2 (с сопротивлением катушки R2) с такими же конструктивными данными, что и в рамке / (с сопротивлением катушки R1), создающей вращаю­щий момент М_вр. Величина индукции магнитного поля посто-

313

312

янного магнита по углу поворота для обеих рамок различна Это достигается выбором конфигурации радиального зазопя (или специальной конструкцией магнитов [45]) и взаимным рас положением катушек. Таким образом,

M_Bp = VA(a);

M_np = k₂I₂B₂(a). (9_б^

При равенстве моментов iVf_Bp=Af_np наступает равновесие подвижной системы, определяемое отношением токов

Угол поворота оказывается пропорциональным отношению двух токов:

a = f(I₁/I₂), (9-8)

или величинам, с ними связанными. При измерении сопротивле­ний токи в рамках логометра определяются в соответствии с рис. 9-8, а в виде

тогда

Из выражения (9-9) следует, что показания логометра не зависят от напряжения источника питания (практически это отмечается в пределах измерения питающего напряжения ±20 %) и при постоянных сопротивлениях элементов измери­тельных цепей определяются только значениями измеряемого сопротивления R_x.

В схемах включения логометра в комплекте с термометром электрического сопротивления между ним и прибором нахо­дится линия дистанционной передачи, сопротивление которой может меняться под действием температуры окружающей среды. Такое изменение вносит неопределенность в показания прибора измеряемой температуры. Для уменьшения этой по­грешности наиболее рационально использовать трехпроводную схему подключения термометра электрического сопротивления (рис. 9-8,6). Тогда первый и третий провода с сопротивлениями г_л1 и г_л3 попадают в разные измерительные цепи или разные плечи мостовой цепи (см. рис. 9-9), а третий провод с сопро­тивлением г_л2 является продолжением цепи питания логометра.

И для двухпроводной и для трехпроводной линии сопротив-рние Яъв=^гп+г_п стандартизуется. Обычно для первого случая используют Двн=2,5±0,01 Ом и R_BH=7,5 ±0,03 Ом, а для вто-р_ОГО__/?_вн=5±0,2 Ом, и Явн=15±0,06 Ом. Значение R_m ука­зывается на шкале и в паспорте прибора и выполняется рав­ным указанному за счет изменения манганинового добавочного сопротивления г_д.

Питание логометров осуществляется постоянным напряже­нием 4 В после выпрямителя от вторичной накальной обмотки сетевого трансформатора(11% = =6,3 В).

Современные логометры вы­пускаются следующих типов: профильные показывающие Л-64 и ЛР-64-02 (с двухпозиционным регулирующим устройством) и самопишущие ЛСЩПр-00-18, ко­торые по габариту, маркировке и встроенным устройствам анало­гичны милливольтметрам МСЩ-Пр-00-18 [1].

Измерительные цепи совре­менных логометров (рис. 9-9) со­держат неравновесные измери­тельные мосты постоянного тока, состоящие из манганиновых ре­зисторов с сопротивлением Rl, R2 и R3, в одно из плеч которых включены термометры электри­ческого сопротивления R_TC- По­следовательно с термометром включено добавочное сопротив­ление R6, служащее для уравно­вешивания моста при t=t_H0M и ограничения тока, проходящего через датчик. Условие равновесия моста имеет вид

(9-10)

RiRs—Ri (Re 4- Рвн ~\~ Rrc- ном)» где #_в„ = 2Я_д-г-г_л1 + г_л3.

Заданную величину R_BH устанавливают с помощью перемен­ных резисторов Р_д (на рис. 9-9 не показаны) при подключен­ном на вход прибора контрольном резисторе R_K вместо R_TC. Изменением R_n устанавливают стрелку прибора на красную от­метку шкалы, в этом случае R_Bii соответствует указанному на шкале значению. Аналогично проверяют величину R_BH в про­цессе эксплуатации.

В измерительную диагональ моста с d включены последо­вательно две рамки механизма логометра rl и г2. Их средняя точка соединена с одной из вершин диагонали питания моста через два последовательно включенных резистора: манганино­вого R4 и медного R5. При такой схеме включения чувстви тельность логометра в 2 раза больше, чем в схеме, приведен­ной на рис. 9-8. Повышение чувствительности объясняется тем что токи направлены встречно и их изменения противоположны по знаку. С помощью резисторов R4 и R5 осуществляется тем­пературная коррекция показаний прибора. Мостовая цепь пи­тается через диагональ а, Ь от источника постоянного тока на­пряжением 4 В через клеммы 5 и 3, если подключение датчика термометра электрического сопротивления производится по двухпроводной схеме Б. Предпочтительным является использо­вание трехпроводной схемы А. В этом случае вместо клеммы 3 питание по линии г_л3 подается к датчику.

Как известно (см. зависимость (9-11), в неравновесных мо­стах значение тока, проходящего по измерительной диагонали, нелинейно зависит от изменения сопротивления одного из плеч моста, и шкала логометра неравномерна. Для уменьшения не­равномерности (она обычно невелика) сопротивления моста подбираются равными сопротивлению /?_тс.ном, соответствую­щему среднему значению изменения сопротивления для измеря­емого температурного интервала, отмеченному на шкале лого­метра (обычно красной отметкой).

Современные магнитоэлектрические приборы выпускаются узкопрофильными щитовыми со световым указателем, на базе которых создан унифицированный комплекс аналого­вых сигнализирующих контактных приборов (ACK).

В ACK входят приборы различного назначения:

1. Узкопрофильные приборы постоянного тока, в том числе измерительные приборы для датчиков неэлектрических величин, имеющих выходной сигнал постоянного тока.

2. Узкопрофильные приборы переменного тока.

3. Узкопрофильные пирометрические приборы для измерения температуры с помощью стандартных датчиков температуры различного типа.

В ACK входят также многоканальные приборы на 3, 4 и до 12 каналов. С помощью световых указателей они образуют пространственный график изменения однотипного и однодиапа-зонного параметра в различных точках объекта или параметров в различных объектах. В этой серии выпускаются и много­шкальные приборы для измерения на постоянном токе. Они используются в комплекте с унифицированными датчиками не­электрических величин.

Узкопрофильные приборы изготовляют трех типов: среднего (160X30 и длиной шкалы 120 мм), большого (240X30 и дли­ной шкалы 200 мм) и малого (100X30 и длиной шкалы 65 мм) габарита. Они выпускаются в горизонтальном и вертикальном исполнении. По выполняемым функциям приборы разделяются

указывающие, сигнализирующие, контактные (трехпозицион-^й3р двухпозиционные с правым и левым контактами). ^ЯЬ Общий вид магнитоэлектрического узкопрофильного прибора конструктивное устройство измерительного механизма пред-^й_тавлены на рис. 9-10, а и б. Крепление подвижной рамки / ^рис. 9-10,6) осуществляется на внутрирамочных растяжках 12 и 5. Внутри рамки помещен внутрирамочный магнит 3 _в центральное отверстие которого вставлена цилиндрическая втулка 2, изготовленная из изоляционного материала. Рас­тяжки пропущены через втулку с обеих сторон, огибают штифты // (на рис. 9-10,6 показан только один штифт), за-

Рис 9-Ю

крепляются клиньями 4, выводятся через фиксирующее их по­ложение продольные радиальные канавки 9 и припаиваются к токоподводам 10. Внешние участки растяжек пропущены че­рез отверстия рамки, огибают штифты 8 и 14 я прикрепляются к периферийным участкам плоских тарельчатых натяжных пру­жин 15 и 7, установленных на торцевых сторонах подвижной рамки. Необходимое натяжение растяжек во время сборки осу­ществляется использованием несложного приспособления, име­ющего рычаги и грузы, с помощью которых натяжные пружины 15 и 7 одновременно сжимаются, после чего к ним прикрепля­ются растяжки.

Механизм закрыт крышками 6, в которые входят с неболь­шим зазором свободно вращающиеся тарельчатые держатели 13. Этим осуществляется ограничение осевых и радиальных сме­щений подвижной части и обеспечивается защита механизма от механических повреждений и загрязнений. В корпус прибора по­мещена оптическая система для производства светового отсчета с помощью зеркала, укрепленного на подвижной части прибора, в нем же размещены элементы измерительной цепи.

Внешний вид прибора представлен на рис. 9-10, о. Сигнали­зирующие приборы снабжены двумя цветными светофильтр ами-

шторками J и 2 (слева зеленый, справа —красный). Перемещу ние светофильтров осуществляется винтами 3, контроль за их установкой производится через прозрачную щель 4.

Узкопрофильные приборы серии АСК имеют существенные преимущества перед другими магнитоэлектрическими прибо рами. Малогабаритная панель этих приборов со световым от­счетом и цветовой сигнализацией создает определенные удоб­ства при комплектации приборных щитов и одновременного из­мерения большого количества величин вплоть до определения однотипных параметров в пространстве объекта. Впервые в се­рии АСК пирометрические милливольтметры могут комплекто­ваться не только с термоэлектрическими термометрами, но и с термометрами электрического сопротивления. Для этого в пи­рометрических приборах АСК в комплекте с термометром со­противления предусмотрена неравновесная мостовая цепь, в из­мерительной диагонали которой в качестве указателя неравно­весия используется магнитоэлектрический милливольтметр. Применение подавителей (электронных стабилизаторов посто­янного напряжения) в комплекте с пирометрическими милли­вольтметрами и термоэлектрическими термометрами позволяет перейти от измерения всего диапазона температуры в объекте к измерению ее колебаний вокруг заданного, номинального зна­чения (см. 3.5).

В измерительной практике широкое распространение полу­чили устройства с мостовыми измерительными це­пями, используемые для измерения параметров электрических цепей (активных и реактивных сопротивлений) и величин, в них преобразованных.

Различают неравновесные и равновесные мостовые измери­тельные цепи в зависимости от того, компенсируется ли только первоначальное или полное изменяющееся значение измеряе­мого параметра. Причем мостовые цепи могут работать с ши­роким и узким диапазоном изменений сопротивлений плеч, а также с дифференциальным включением параметрических преобразователей [45, 46].

Мостовые цепи имеют существенные преимущества перед другими цепями, так как параметрические преобразователи могут быть включены в одно, два или четыре плеча мостов. Питание мостовых цепей осуществляется на постоянном или чаще (при измерении реактивных сопротивлений) на перемен­ном токе промышленной или повышенной частоты.

При выборе параметров мостовой цепи необходимо разли­чать высокоомные и низкоомные значения входного /?_вх. _м (со стороны цепей питания) и выходного Р_Вых._м (со стороны изме­рительной диагонали) сопротивлений моста. Эти параметры должны быть согласованы с параметрами входных и выходных цепей в устройствах, включающих мосты, для получения наи­большей чувствительности к изменению измеряемого параметра

заданном режиме' питания мостовой цепи (режим заданного тока или заданного напряжения).

Неравновесные мосты удобно применять для измере­ний отклонений параметров измерительных параметрических преобразователей. Обычно они используются равноплечими <Z1~Z2=Z3=Z4=Z), параллельно-симметричными (Z1 = Z2; Z2=Z3) или последовательно-симметричными (Z1 = Z2; Z3=Z4) (рис. 9-11), причем за редким исключением одинарными.

Как известно из теории мостовых цепей [45], неравновесный мост в широком диапазоне изменения сопротивлений плеч имеет существенно нелинейную характеристику преобразования как при Z_H=°° ^{так и П}Р^И Z-вФоо. В общем виде эта характеристика может быть описана выражением (см. рис. 9-11).

/ -— ZjZz—z₂z₄ у (9-11)

f (^1> £₂, ^3> ^4> ^ук)

В мостовых цепях с узким диапазо­ном изменений сопротивлений, а также с дифференциальными преобразователя­ми их функции преобразования могут быть получены почти линейными для не-значительных изменений параметров мо-стов [45].

Максимальную чувствительность мостовых цепей, как сле­дует из выражения (9-11), можно получить, соответственно вы­бирая напряжение питания моста U, параметры мостовой цепи Zl, Z2; Z3, Z4 и сопротивление указателя неравновесия Z_yK. Кроме того, в каждом отдельном случае необходимо произвести выбор режима питания: режима заданного напряжения или за­данного тока. Это связано с получением линейной функции преобразования мостовой цепи [45].

Для повышения чувствительности мостовой цепи рекоменду­ется, если возможно, использовать равноплечие или попарно равноплечие мосты.

Для получения наибольшей чувствительности моста к изме­нению их параметров следует осуществлять согласование вы­ходного сопротивления моста R_Bux. м с выходным сопротивле­нием указателя неравновесия Z_yK (см. гл. 2). Например, для увеличения чувствительности моста по напряжению при измене­нии параметров мостовой цепи необходимо увеличивать входное •сопротивление указателя. Это обстоятельство используется при выборе нуль-индикаторов в равновесных мостах.

Неравновесные мосты постоянного тока широко применя­ются не только в пирометрических логометрах и милливольт­метрах серии АСК (работающих в комплекте с термометрами сопротивления), но и для измерения других неэлектрических

величин. В последнем случае в измерительный комплект вхо­дят параметрические преобразователи и измерительные уст­ройства, содержащие неравновесные мосты с магнитоэлектри­ческими выходными приборами (см. гл. 4, 6.7.).