книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

напряжения на нем составляет 11 мВ) производится уравновеши­ вание Ех. Текущее значение измеряемого напряжения составляет EX= R VIV или с учетом предыдущего равенства

(3.7)

Выражение (3.7) подтверждает возможность получения в ком­ пенсаторах высокой точности измерения. Действительно, если учесть, что на современном уровне развития измерительной тех­ ники порог чувствительности обычных нуль-гальванометров магни­ тоэлектрической системы составляет ІО-8—10~9 A/делений, то по­ грешность измерения определяется согласно формуле (3.7) из вы­ ражения

Из (3.8) следует, что бЕх зависит от погрешностей изготовления

сопротивления реохорда /?р, Rn.э и нормального элемента Еял. Все три составляющие достаточно малы, поскольку погрешность ман­ ганиновых специально состаренных сопротивлений составляет

± (0,014-0,001) %, а бЯнэ ~ ± 0,05 %.

Кроме того, в момент компенсации в / и II цепи нет тока, т. е. не потребляется ток ни от нормального элемента, ни от измери­ тельной цепи.

Устройство автоматических потенциометров до настоящего вре­ мени включало операцию установки рабочего тока. Периодически (автоматически или вручную) контролировалась величина рабо­

тронные стабилизаторы. В качестве опорных элементов в стабили­ заторах применяются кремневые стабилитроны. Поэтому установка рабочего тока в этих приборах отсутствует (точнее производится через несколько тысяч часов непрерывной работы).

На рис. 3-18 изображена принципиальная электрическая схема потенциометра КСП-4. Эта схема аналогична, кроме некоторых элементов цепи сравнения, электрической схеме автоматического моста КСМ-4.

В измерительной цепи сравнения производится компенсация измеряемой э. д. с., например Ет.я.д.с напряжением разбаланса мо­ стовой цепи в измерительной диагонали аб А£/м. Результат срав­ нения в виде напряжения А £/=£т.э.д.с —AUM поступает на вход вибропреобразователя ВП. После усиления прямоугольного напря­ жения входным трансформатором (п=10) и выделения синусо­ идального напряжения с помощью АСг-фильтра (см. рис. 3-16) напряжение поступает на трехкаскадный ЭУН. Затем сигнал уси­ ливается по мощности ЭУМ, который благодаря фазочувствитель­ ности воздействует на управляющую обмотку реверсивного двига­ теля РД таким образом, что движок реохорда, соединенного с РД,

90

Тогда для шкалы автоматического потенциометра зависимость Л/ имеет вид

А/ = Км^ ( * р - * св.к). /рАр

Эта зависимость соответствует линейной шкале потенциометра с той точностью, с которой выполняется допущение о постоянстве 5 ТП. При этом должны выполняться условия, что ^ p = const, /р = = const и /Св.к= const, так как Км может быть выполнен с погреш­ ностью 0,01—0,001%.

Первые два условия, как было показано выше, реализуются легко. Третье — постоянство значения температуры свободных кон­ цов— выполнить не удается. Поэтому применяют схему автомати­ ческой компенсации погрешности, появляющейся из-за изменения tсв.к* Для этого, как в специальном устройстве КТ-54, в одно из плеч мостовой цепи включается медное сопротивление RM.Оно рас­ полагается в непосредственной близости от свободных концов тер­ мопары. Расчет значения Ru производится из условий, приведен­ ных в § 5 гл. 4, при рассмотрении КТ-54.

Для уменьшения внутренних и внешних наводок, поступающих с термопары и проводов, цепь термопары шунтируется конденса­ торами Сфі, Сф2 и Сфз, а последовательно с термопарой вклю­ чаются резисторы /?фі и /?ф2, которые образуют вместе с конденса­ торами двойной Г-образной фильтр (рис. 3-18).

К приборам уравновешивания группы КС и КП примыкают миллиамперметры типа КСУ-4, предназначенные для измерения силы постоянного тока в пределах 0-4-5; 04-20 мА. Входное со­ противление миллиамперметров составляет 2 и 0,5 Ом соответ­ ственно.

Эти приборы отличаются от автоматических потенциометров типа КСП только тем, что параллельно входу приборов включено калибровочное сопротивление RK. Ток от стандартного датчика с токовым выходом протекает по калиброванному входному со­ противлению и создает определеннное падение напряжения, кото­ рое измеряется аналогично тому, как измеряется напряжение в по­ тенциометре.

Приборы этой серии выпускаются на 1, 3, 6 и 12 точек изме­ рения с однотипными датчиками со скоростью пробега каретки по всей шкале 1; 2,5; 8 с. Приборы содержат регулирующие двух- и трехпозиционные устройства, а также унифицированные и реостат­ ные устройства для дистанционной передачи показаний в одно­ точечных приборах.

При эксплуатации приборов КСП и КСУ необходимо периоди­ чески (через каждые 2600 ч) производить поверку установки рабо­ чего тока. Подключая нормальный элемент Еяэ к обозначенным Н.Э (внешнее подключение) на рис. 3-18 (к клеммам 1 и 2), оп­ ределяют разность между Ет и падением напряжения на сопро­ тивлении Rm. Эта разность при расчетном значении токов мостовых

*92

ветвей, питаемых электронным стабилизатором, не должна превы­ шать 1,0190±0,0003В. Рабочий ток устанавливается с помощью пе­ ременного резистора в питающей диагонали моста йГр.т (рис. 3-18).

§ 4. ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДИСКРЕТНОЙ ПОДВЕТВИ ГСП

С использованием ЭЦВМ в информационных и автоматических системах появилась необходимость вводить измерительную инфор­ мацию в цифровые машины.

Эта задача решается:

созданием преобразователей непрерывных выходных величин обычных датчиков в дискретную форму; при этом передача ин­ формации на расстояние производится непрерывными величинами, что вызывает значительные погрешности (0,5-f-l,0%) [1];

разработкой специальных датчиков с кодовыми или числоим­ пульсными выходными сигналами, число которых ограниченно, хотя они и отличаются высокой точностью и помехоустойчиво­ стью [1];

созданием специальных датчиков с частотным выходным сиг­ налом— частотных датчиков [45].

Частотные датчики (занимающие по отношению к первым про­ межуточное положение) совмещают простоту и универсальность, свойственные аналоговым устройствам, с точностью и помехоус­ тойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. Дальнейшее преобразование сигнала частотных датчиков сводится к счету периодов сигнала в течение определенного интервала вре­ мени. Эта операция по простоте и точности превосходит на дан­ ном этапе развития метрологии все другие операции при изме­ рениях.

Интенсивное развитие и применение частотных датчиков и при­ боров обусловлено рядом причин:

1. Частотные датчики обладают большей точностью измерения (в частности, и передачи), нежели амплитудные датчики с после­ дующими цифраторами, за счет большей помехоустойчивости ча­ стотной модуляции;

2. Образцовые меры частоты (например, в виде кварцевых ге­

3. Точное суммирование во времени выходного частотного сиг­ нала реализуется исключительно просто с помощью счетчиков электрических импульсов, которые обладают свойством идеального интегратора с неограниченным временем интегрирования [45].

Все эти преимущества получили реализацию в создании и раз­ витии дискретной электрической подветви ГСП.

В соответствии с рассмотренными возможностями преобразо­ вания измеряемой величины в цифру вторичные цифровые из­ мерительные приборы делятся на аналого-цифровые, на вход

93

которых поступает аналоговая величина в виде напряжения, тока или их отношения, и частотно-цифровые, на вход которых поступает частота. Эти приборы выполняются с уравновешивающим и пря­ мым преобразованием входной величины в цифру.

На основе прямого преобразования (непрерывного и цикличе­ ского действия) выполняются цифровые частотомеры и фазометры. Цифровые вольтметры и омметры основаны на уравновешиваю­ щем преобразовании.

Уравновешивание может быть следящим и развертывающим. В первом случае уравновешивающий сигнал, изменяясь в сторону уменьшения или увеличения, все время следит за изменением из­ меряемой величины. Во втором случае уравновешивающий сигнал периодически изменяется по заранее заданной программе только в одну сторону и новое его значение определяется после сброса на нуль предыдущего значения. Развертывающее уравновешивание может быть как с линейным (плавным), так и со ступенчатым (дискретным) изменением уравновешивающего параметра, при­ чем ступенчатое уравновешивание разделяется на равномерно-сту­

которой пользуются в повседневной практике, является десятич­ ная система счисления, основанная на представлении числа с по­ мощью десяти различных знаков от 0 до 9.

Любое число в десятичной системе может быть представлено в виде суммы

N = яДО”-J-ttn—iЮ™- *-р . . . -f- яДО-j-üq.

Число 10 называется основанием системы счисления; каждое слагаемое в этом выражении называется разрядом; показатель степени определяет номер разряда, а множители яг-(/ = 0,—п) — число единиц данного разряда.

Часть счетчика, предназначенная для счета только одного раз­ ряда, часто называют декадой (декады единиц, десятков и т. д.).

Счет числа импульсов в десятичной системе чрезвычайно на­ гляден, но требует большого числа элементов. Более простыми яв­ ляются счетчики, которые основаны на двоичной системе счисле­ ния. В этой системе число записывается в виде

N = ап2" + ап—I • 2П~ 1-j-. . . -j- йі2 -f- а0.

в двоичной системе, в удобную для отсчета десятичную систему, требуются преобразователи, называемые дешифраторами [6, 10].

Для использования в цифровых измерительных устройствах более удобными оказываются счетчики, в основе которых лежит двоично-десятичная система счисления. В этой системе каждый

94

разряд записывается с помощью четырех знаков, например 1, 2, 2, 4. Дешифраторы в этом случае оказываются более простыми [10].

Счетчики импульсов, применяемые в измерительных приборах, строятся либо на триггерных ячейках, выполненных на вакуумных лампах, транзисторах или газовых лампах, либо в них исполь­ зуются специальные счетные лампы.

В качестве иллюстрации на рис. 3-19 приведен двухразрядный счетчик на транзисторах. При использовании двоичной системы счета каждому разряду соответствует триггерная ячейка.

При исходном состоянии счетчика в каждой триггерной ячейке заперт правый триод Т2. Первый входной импульс отрицательной

полярности, попадая на базу запертого триода Т2, переводит триггер Трі в новое состояние и зажигает лампу Л\. Положитель­ ный перепад напряжения, появляющийся на коллекторе триода Т2, не пропускается диодами Д к следующей ячейке. Второй импульс гасит лампу Л и а отрицательный импульс на выходе триггера, обусловленный понижением потенциала коллектора триода Т2, пе­ реводит триггер Тр2 в новое состояние. При этом загорается лампа Л2. Таким образом, на выходе триггерной ячейки появляется один выходной импульс на каждые два входных. Следующий входной импульс зажжет лампу Л 1и т. д.

В случае двоично-десятичной системы счета декада состоит из четырех двоичных триггерных ячеек (Трі + Трь) (аналогичных ячейкам, изображенным на рис. 3-19) с двумя обратными связями. Структурная схема такой декады приведена на рис. 3-20. Триггер

95

на рисунке условно показан квадратом, заштрихованная половина справа обозначает исходное состояние, в котором заперта левая лампа (или полупроводниковый триод) и открыта правая.

Подобная декада до восьмого импульса включительно работает по двоичной системе так же, как и счетчик, показанный на рис. 3-19. После прихода восьмого» импульса в четвертой ячейке возникает импульс обратной связи, воздействующий на вторую и третью ячейки и переводящий их в иное состояние. Таким образом, после восьмого импульса счетчик оказывается в таком состоянии, кото­ рое соответствовало бы приходу четырнадцатого импульса в счет­ чике без обратной связи. Девятый импульс воздействует только на первую ячейку. Десятый входной импульс переводит все ячейки в исходное состояние, и на выходе декады появляется выходной импульс.

Состояние триодов в декаде иллюстрируется табл. 3-2, в кото­

В такой схеме необходим дешифратор, позволяющий привести состояние двоичных ячеек в удобную для отсчета десятичную си­ стему. В качестве дешифратора могут быть использованы деши­ фраторы на диодах, резисторах и магнитных элементах.

Наиболее простым и экономным является дешифратор на ре­ зисторах. В этом случае неоновые лампы присоединяются к триг­ герным ячейкам так, как показано на рис. 3-21. Сопротивления ре­ зисторов R&в декаде выбраны так, чтобы выполнялись неравенства

96

заперт, потенциал шины, соединенной с этим триодом, равен со­

ответственно Е а— - или Е0. Лампы, соответствующие циф­

рам 0, 2, 4, 6, 8, через резисторы Ra присоединены к четной шине, лампы, соответствующие цифрам 1, 3, 5, 7, 9,— к нечетной шине.

При таком соединении может гореть только та неоновая лампа, верхний электрод которой имеет потенциал, равный £ а, а нижний £ а= Д£/а. Последнее условие выполняется в том случае, если ниж­ ний электрод присоединен к анодам двух открытых триодов. Если проводит только один из триодов или оба триода заперты, то рас­

пределение напряжений на сопротивлениях таково, что неоновая лампа не горит. Для того чтобы число, показываемое неоновой лампой, соответствовало числу сосчитанных импульсов, триоды, к которым присоединяются неоновые лампы, должны быть от­ крыты только тогда, когда число импульсов, пришедших на счет­ чик, равно номеру неоновой лампы. Пользуясь табл. 3-2, можно установить, что лампы должны присоединяться к анодам триодов следующим образом:

Подобные схемы ввиду простоты и малого числа элементов на­ ходят широкое применение. В частности, по этому принципу по­ строены счетчики импульсов цифровых частотомеров типа ЧЗ-З, фазометров НФ-ЗМ и др. Достоинством счетчиков на вакуумных лампах и транзисторах является их чрезвычайно широкий частот­ ный диапазон, простирающийся до частот порядка нескольких де­ сятков мегагерц.

97

Поэтому принципиальная структурная схема цифрового часто­ томера должна иметь узлы, показанные на рис. 3-22, а именно: формирующее устройство ФУ, преобразующее синусоидальное на­ пряжение в пикообразные импульсы; счетчик импульсов СИ, счи­ тающий число импульсов, приходящих на его вход; ключ К, про­ пускающий импульсы к отсчетному устройству только в течение строго определенного образцового интервала времени, и, наконец, генератор образцовой частоты ГОЧ, вырабатывающий этот интер­ вал времени. Блок управления БУ, воздействуя на ключ, обеспе­ чивает необходимое время для отсчета показаний и устанавливает

показание отсчетного устройства счетчика импульсов СИ на нуль после1каждого измерения.

Число импульсов N, сосчитан­ ных счетчиком, равно

N —Т 0fx.

Погрешность частотомера опРис' 3'22 ределяется нестабильностью ин­ тервала Т0, т. е. погрешностью

генератора образцовой частоты уг и погрешностью дискретности Уд. Погрешность генератора уг практически имеет порядок 10~6— ІО-7. Погрешность дискретности в процентах, как известно, опре­ деляется выражением

Поэтому суммарная погрешность частотомера равна

Y— ± д г г ‘ ЮО ± Уг*

* W X

Полная структурная схема цифрового частотомера универсаль­ ного назначения в режиме измерения частоты fx показана на рис. 3-23.

Входной сигнал подается на усилитель с регулируемым коэф­ фициентом усиления, а с его выхода на триггер, формирующий на­ пряжение прямоугольной формы. С выхода формирующего триг­ гера сигнал, преобразованный дифференцирующей цепочкой в ко­ роткие импульсы, поступает на ключ.

На рис. 3-23, а изображен быстродействующий ключ на пен­ тоде, управляемом по первой и третьей сеткам. На первую сетку подается сигнал измеряемой частоты, на третью — разрешающее напряжение с триггера времени. Когда напряжение на третьей сетке положительно, с анода снимаются короткие отрицательные импульсы.

Эти импульсы поступают на счетчик, состоящий из нескольких счетных декад. Первые две декады счетчика выполнены на быстро­

98

действующих триггерах и имеют повышенную скорость счета, а ос­ тальные декады одинаковы и позволяют считать импульсы с ча­ стотой не выше 100 кГц. Показания частотомера можно прочесть на световом табло: каждой декаде соответствует ряд неоновых лампочек, подсвечивающих цифры от 0 до 9.

Генератор точных интервалов времени состоит из кварцевого ге­ нератора и ряда делителей частоты на 10, с выхода которых через переключатель, позволяющий выбрать одно из шести различных значений измерительного времени, поступают импульсы на триггер, управляющий ключом.

\__ _

Рис. 3-23

Все частоты генератора могут быть использованы в качестве образцовых при различных измерениях, и с этой целью они выве­ дены на специальные выходные гнезда.

Цепь управления работой частотомера состоит из устройства выдержки времени, формирователя импульса сброса и линии за­ держки.

Работа этой цепи иллюстрируется кривыми на рис. 3-23, б. Кривая 1 соответствует точке 1 схемы рис. 3-23, а и представляет собой выходное напряжение делителя частоты, поступающее на триггер времени. В исходном положении триггер времени (через усилитель) держит ключ закрытым, поэтому первый импульс, по­ ступая на оба входа триггера, переводит его в такое состояние, при котором ключ открыт. Но напряжение с выхода усилителя триггера (точка 2 схемы рис. 3-23, а и кривая 2 рис. 3-23, б) по­ ступает на ключ (точка 4 и кривая 4) не сразу, а через линию за­ держки на несколько микросекунд (на рис. 3-23, б задержка пре­ увеличена), одновременно передним фронтом напряжения триггера времени (через усилитель) запускается формирователь импульса

99