книги / Теплотехнические измерения и приборы

влиянием ферромагнитного щита. Рекомендации для уменьшения или устранения этих влияний на показания приведены при рассмот­ рении милливольтметров (гл. 4).

5-8. Общие сведения об автоматических уравновешенных мостах

Автоматические уравновешенные мосты широко применяются в различных отраслях промышленности для измерения и записи температуры в комплекте с термометрами сопротивления. Они мо­ гут быть использованы для измерения, записи и сигнализации или регулирования температуры. В этом случае автоматические уравно­ вешенные мосты, так же как и автоматические потенциометры, снабжаются дополнительным устройством для сигнализации или регулирования температуры. Некоторые модификации уравнове­ шенных мостов снабжаются реостатными преобразователями для дистанционной передачи показаний, схемы и устройство которых рассматриваются ниже (гл. 8). Автоматические уравновешенные мосты находят также применение для измерения других величин, изменение значений которых может быть преобразовано в измене­ ние активного электрического сопротивления.

Измерительная схема автоматических уравновешенных мостов в принципе не отличается от схемы лабораторного четырехплечего моста за исключением того, что уравновешивание его, осуществляе­ мое обычно перемещением движка по калиброванному реохорду, производится не вручную, а автоматически с помощью специаль­ ных следящих систем; устроенных так же, как и следящие системы автоматических потенциометров.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающие, показывающие и самопишущие с записью на дисковой и ленточной диаграмме. Приборы с дисковой диаграммной бумагой служат для измерения и записи температур в одной точке и называются одно­ точечными. Уравновешенные мосты с ленточной диаграммой изго­ товляются как одноточечные, так и многоточечные, т. é. для изме­ рения и записи температуры в одной или нескольких (3, 6, 12) точках.

Питание измерительной схемы уравновешенных мостов осуще­ ствляется напряжением переменного тока 6,3 В, частотой 50 Гц от вторичной обмотки силового трансформатора усилителя. Питание силовой цепи приборов производится от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Применяемые усилители в уравновешенных мостах обычно снабжаются входным трансфор­ матором.

Автоматические уравновешенные мосты, предназначенные для работы в комплекте с термометрами сопротивления, выпускаются с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что их температурная шкала действительна только

для термометра сопротивления определенной градуировки и за­ данного значения сопротивления внешней соединительной линии.

Для автоматических уравновешенных мостов, выпускаемых оте­ чественной приборостроительной промышленностью, установлены аналогично автоматическим потенциометрам классы точности (по показаниям), а именно 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (ГОСТ 7164-71).

Пределы допускаемой основной погрешности показаний авто­ матических уравновешенных мостов, выраженные в процентах нор­ мирующего значения измеряемой величины (§ 1-5), на всех отметках шкалы не должны превышать: ±0,25; ±0,5; ±1,0; 1,5% — для классов точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (соответственно). За нормирую­ щее значение принимают разность конечных значений диапазона измерения. Нормирующее значение и диапазон измерения выра­ жаются в единицах сопротивления.

Пределы допускаемой основной погрешности на всех отметках диаграммы самопишущих уравновешенных мостов в зависимости от класса точности и ширины поля записи нормируются аналогично с автоматическими потенциометрами (§ 4-17).

Автоматические уравновешенные мосты выпускаются с временем прохождения указателем прибора всей длины шкалы 2,5 с и менее (быстродействующие), а также более 2,5 с (например, 10 с). Воз­ можные дополнительные погрешности и некоторые другие техниче­ ские характеристики уравновешенных мостов одинаковы с приве­ денными выше для автоматических потенциометров (§ 4-17).

Ниже будут рассмотрены выпускаемые в настоящее время авто­ матические уравновешенные мосты типов КПМ, КВМ и КСМ, разра­ ботанные ГСКБ СКА за последние годы [25]. Эти приборы удовле­ творяют в большей степени современным требованиям промышлен­ ности по сравнению с ранее выпускаемыми автоматическими уравно­ вешенными мостами МП, ЭМВ, ЭМД, МС и др.

5-9. Принципиальные измерительные схемы автоматических уравновешенных мостов

В автоматических уравновешенных мостах широко используется измерительная схема четырехплечего моста с реохордом, включен­ ным так, что его движок может изменять положение точки подклю­ чения одной из вершин измерительной диагонали по отношению к двум прилежащим плечам моста.

Реохорд может быть включен в одну из вершин измерительной диагонали моста, например между двумя плечами, не имеющими термометра сопротивления, или между двумя плечами, в одно из которых включен термометр сопротивления. Рассмотрим оба ва­ рианта и выясним, какой из них заслуживает большего внимания.

Первый вариант принципиальной измерительной схемы автома­ тического уравновешенного моста представлен на рис. 5-9-1. Схема состоит из трех плеч, выполненных из манганиновых резисторов Ri, R2 и R3t четвертого плеча, содержащего измеряемое сопро­

тивление термометра Ят, и калиброванного реохорда Яр. В измери­ тельную диагональ включен нуль-иидикатор (НИ), а к точкам c a d подключен источник питания 11.

При изменении сопротивления термометра Rr нарушается равно­ весие моста. Поскольку мостовая схема приходит в равновесие при

Если с изменением температуры термометра сопротивление его увеличится до значения Ят — Ят „ + ARr, то новому положению равновесия моста будет соответствовать равенство

где т = Яр/Яр (здесь Яр — сопротивление участка реохорда левее движка а).

Решая уравнение (5-9-2) относительно т и учитывая выражение (5-9-1), получаем:

(Яз+Яр) АЯТ

В знаменатель формулы (5-9-3) входит переменное сопротивле­ ние ДЯТ, вследствие этого т = f (ДЯТ) изменяется не по линейному закону, таким образом, шкала прибора в единицах сопротивления будет неравномерной. Однако если ДЯт Я2 + Ят.„, то шкала моста будет приближаться к линейной.

У второго варианта принципиальной измерительной схемы урав­ новешенного моста верхняя цепь состоит из Ят, Яр и Яз» а нижняя — из Я1 и Я2 (рис. 5-9-1). Повторяя приведенные выше рассуждения, получим для тех же двух положений равновесия мостовой схемы

следующие уравнения:

где т — Rp/Rp (здесь Rp— сопротивления участка’ реохорда пра­ вее движка а).

Решая равенство (5-9-5) относительно т и учитывая уравнение

Уравнение (5-9-6) показывает, что т — f (ЛРТ) является линей­ ной функцией ART. Следовательно, основным преимуществом вто­ рого варианта схемы уравновешенного моста по сравнению с первым является то, что он позволяет осуществлять равномерную шкалу прибора в единицах сопротивления. Измерительная схема вто­ рого варианта является более совершенной и поэтому широко используется в современных автоматических уравновешенных мо­ стах.

5-10. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста

В автоматических уравновешенных мостах используется, как отмечалось выше, измерительная схема четырехплечего моста с рео­ хордом. Эта схема, обеспечивая высокую точность техническим приборам, позволяет выполнять шкалы моста односторонние, безнулевые и двусторонние (§ 1-5). Показанная на рис. 5-10-1 прин­ ципиальная схема показывающего и самопишущего прибора может рассматриваться как типовая схема автоматических уравновешен­ ных мостов. Показывающие уравновешенные мосты имеют такую же принципиальную схему, но у них отсутствует блок записи.

На принципиальной схеме рис. 5-10-1 приняты следующие обозначения: Rp— реохорд: R,„ — шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления Rpдо заданного нормированного значения R„. р = RpRm (RP+ Ru,)-1 — 90 или 100 ± 0,1 Ом; ГО — токоотвод; R„ — резистор для установления диапазона измерения; RR — ре­ зистор добавочный для подгонки начального значения шкалы (обычно RR « 5,5 Ом); Rit R2 и R3— резисторы мостовой схемы; R6— балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; R-t — термометр сопротивления; R„ — резисторы для подгонки со­ противления линии; РД — асинхронный конденсаторный ревер­ сивный двигатель; СД — синхронный двигатель. Назначение кон­ денсаторов Съ С2 и С3 рассматривалось выше (§ 4-18).

Все резисторы мостовой измерительной схемы изготовляют из стабилизированной манганиновой проволоки. Реохорд Rp и токо­ отвод ТО новых автоматических уравновешенных мостов типов

КСМ, КПМ аналогичны по своему устройству с реохордом и токоотводом, применяемыми в автоматических потенциометрах КСП и КПП (§ 4-18). В уравновешенных мостах прежних разработок МП, МС и ЭМД и других реохорд и токоотвод выполнены аналогично с потенциометрами, ранее выпускаемыми (§ 4-18).

Как видно из рис. 5-10-1, термометр сопротивления подключен к мосту по трехпроводной схеме. В этом случае сопротивление проводов, служащих для присоединения термометра к мосту, рас­ пределяется между двумя прилегающими плечами моста RT и Rlm Благодаря этому достигается значительное снижение значения до­ полнительной погрешности, вызываемой возможным изменением сопротивления соединительных проводов вследствие изменения

Рис. 5-10-1. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста.

температуры окружающего воздуха. Номинальное суммарное зна­ чение сопротивления проводов, соединяющих термометр с мостом, установлено равным 5 Ом. Таким образом, сопротивление каждого провода, а следовательно, и подгоночных резисторов Rni принятое при градуировке прибора, равно 2,5 Ом с допускаемым отклоне­ нием от номинала не более ±0,01 Ом.

При нарушении равновесия мостовой схемы прибора вследствие изменения сопротивления RT термометра на вход усилителя по­ дается напряжение небаланса с вершин а и ft. Это напряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал двигателя, кине­ матически связанный с движком реохорда и кареткой, передвигает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю (точнее, меньше той величины его, которую чувствует усилитель). При достижении равновесия мостовой схемы ротор реверсивного двигателя останавливается, а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра. Положению равновесия

мостовой схемы соответствует уравнение

[Я т + Я д+ Я л + О - т ) Я п.Р] Я , = + Я.,) (Я , + т Я „. р) , (5-10-1)

где 7?л = 2,5 Ом при t20 = 20°С; t — средняя температура воздуха вдоль проводов в условиях эксплуатации, °С (t > /20); а — темпера­ турный коэффициент электрического сопротивления меди, °Сг1.

Уравнения (5-10-2) и (5-10-3) позволяют определить возможное изменение показаний моста вследствие изменения сопротивления проводов, обусловленного повышением (или понижением) темпера­ туры окружающего воздуха.

Как показывают расчеты, для автоматических уравновешенных мостов КСМ2 и КСМ4 изменение их показаний вследствие измене­ ния сопротивления проводов (7?л), обусловленного повышением температуры воздуха до t = 40°G, лежит в пределах от 0,05 до 0,1% нормирующего значения измеряемой величины для различ­ ных диапазонов измерения и градуировок гр21, гр23.

5-11. Устройство автоматических уравновешенных мостов

Автоматические уравновешенные мосты, применяемыедля измерения и записи температуры и других величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение активного сопротивления, по конструктивному их оформлению можно разделить на следующие основные группы: показывающие типа КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой типа КСМ1, КСМ2 Ht КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой типа КСМЗ. При-1 боры этих типов, выпускаемые в нескольких модификациях, применяются также для сигнализации или регулирования температуры.

Внешнее оформление корпусов, кинематика механизмов, сигнальные (или регулирующие) и другие дополнительные устройства уравновешенных мостов типов КПМ1, КВМ1, КСМ1, КСМ2, КСМЗи КСМ4 ничем не отличаются от автома­ тических потенциометров типов КПП1, КВП1, КСП2, КСПЗ и КСП4 соответ­ ственно; по своему устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой.

В зависимости от размеров корпуса, отдельных элементов и блоков автомати­ ческие уравновешенные мосты, так же как и автоматические потенциометры и другие приборы, разделяются на миниатюрные (КПМ1, КСМ1), малогабарит­ ные (КВМ1, КСМ2, КСМЗ) и нормальногабаритные (КСМ4).

Для ознакомления с основными характеристиками автоматических уравно­ вешенных мостов рассмотрим некоторые модификации приборов.

Автоматические показывающие уравновешенные мосты. Уравновешенные показывающие мосты широко применяются в практике технологического контроля как оперативные приборы. Они выпускаются с плоской неподвижной шкалой (длина шкалы 300 мм) типа КПМ1 и с цилиндрической вращающейся шкалой (длина шкалы 500 мм) типа КВМ1. Показывающие одноточечные мосты КПМ1 и КВМ1 выпускаются сдвухилитрехпозиционным дополнительным устройством для сигнализации или регулирования. Некоторые модификации этих приборов снабжаютреостатнымипреобразователямидлядистанционнойпередачипоказаний или для* работы с электрическими регулирующими устройствами.

Уравновешенные мосты КПМ1 имеютклассточности0,5. Этиприборыв прак­ тике технологического контроля широко применяют с дополнительным переклю­ чателем для измерения температуры в нескольких точках. Мосты КПМ1 выпус­ каютсяс временем прохождения указателем всейдлинышкалы2,5или 10 с в зави­ симости от модификации.

Показывающие уравновешенные мосты типа КВМ1 выпускаются одноточеч­ ные и многоточечные для измерения температуры с помощью термометров сопро­ тивления в нескольких точках. В последнем случае эти приборы снабжаются встроенным клавишным 6 или 12-точечным переключателем. Серийно выпускаемые мосты КВМ1 имеют класс точности 0,5, а по специальному заказу могут быть изготовлены класса точности 0,25. Они выпускаются с временем прохождения циферблатом от начальной до конечной отметок шкалы относительно неподвиж­ ного указателя 2,5 или 10 с в зависимости от модификации.

Измерительная схема уравновешенных мостов КПМ1 и КВМ1 аналогична описанной выше (рис. 5-10-1). Реохорд этих приборов выполнен на дисковом кар­ касе. В приборах КПМ1 используются полупроводниковые усилители типа УПД2-04 или УПД2-03, а в мостах КВМ1 — типа УПД2-04. Для привода следя­ щей системы в этих приборах применяется асинхронный реверсивный двигатель типа ДКИР-04. В этих приборах предусмотрена возможность применениятакже и асинхронного реверсивного двигателя типа РД-09П2.

Автоматические показывающие и самопишущие уравновешенные мосты. Показывающие и самопишущие уравновешенные мосты выпускаются миниатюр­ ные, малогабаритные и нормальных габаритов. Приборы миниатюрные и мало­ габаритные широко применяют для измерения и записи температуры при авто­ матизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, в частности, в энергетике. Они удобны, так же как и миниатюрные показывающие приборы, для создания мнемонических схем и малогабаритных щитов и пуль­ тов управления технологическим процессом. Мосты нормальных габаритов при­ меняют в тех случаях, когда необходимо осуществлять запись температуры с большей точностью, а вместе с тем и обеспечить лучшую наглядность. Кроме того, эти приборы широко используются при проведении испытаний и научно-исследо­ вательских работ.

Миниатюрные уравновешенные мосты КСМ1 имеют шкалу длиною 100 мм. Записьтемпературы осуществляется надиаграммнойленте сшириной поля записи 100 мм пишущим устройством, чернила в которое поступают по гибкой капилляр­ ной трубке из специального баллона, установленного внутри прибора. Эти мосты отличаются от миниатюрных приборов прежних разработок типа МСМ тем, что у них шкала расположена горизонтально, а диаграммная лента перемещается вертикально сверху вниз. Скорость перемещения диаграммной ленты может быть установлена 10, 20, 40, 60 и 120 мм/ч. Принципиальная схема мостов КСМ1 анало­ гична схеме, показанной на рис. 5-10-1. Пределы допускаемой основной погреш­ ности показаний и записи приборов КСМ1 не превышают ±1% нормирующего значения измеряемой величины.

Автоматические уравновешенные мосты типа КСМ2 и КСМ4, имеющие длину шкалы 160 и 250 мм соответственно, выпускаются одноточечные и многоточечные на 3, 6 и 12 точек. Принципиальная схема одноточечных уравновешенных мостов КСМ2 и КСМ4 аналогична рассмотренной выше (см. рис. 5-10-1). В многоточечных мостах этого типа для поочередного подключения термометров сопротивления к измерительной схеме служит переключатель, который устанавливают на крон*

штейне внутри корпуса прибора. Запись измеряемой температуры на диаграммной ленте производится специальным механизмом многоточечной записи. Этот меха­ низм отпечатывает на диаграммной ленте точки, характеризующие значение измеряемой температуры, и рядом с точкой ставит цифры, показывающие номер термометра сопротивления, который подключен к измерительной схеме переклю­ чателем в данный момент. Переключатель и механизм многоточечной записи при­ водятся в действие от синхронного двигателя.

Автоматические уравновешенные мосты КСМ2 выпускаются класса точности 0,5, а КСМ4 — классов точности 0,25 и 0,5. Приборы КСМ2 и КСМ4 имеют диаг­ раммные ленты с шириной поля записи соответственно 160 и 250 мм. Пределы допускаемой основной погрешности записи уравновешенных мостов КСМ2 и КСМ4 не превышают±1 и ±0,5% нормирующего значения измеряемой величины (соот­ ветственно).

Автоматические показывающие и самопишущие мосты типа КСМЗ. Автома­ тические уравновешенные мосты с диаграммным диском КСМЗ являются одното-

Рис. 5-11-1. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста КСМЗ.

чечными малогабаритными приборами с временем прохождения всей шкалы 5 и 10 с. На рис. 5-11-1 показана принципиальная схема уравновешенного моста КСМЗ. Сопротивление реохорда R ? для всех модификаций уравновешенных мос­ тов КСМЗ принято равным приблизительно 270 Ом [14]. Резисторы (R tu r„, /?*, /?2>Яз и R JI) измерительной схемымоста имеюттожесамоеназначение, что й в схе­ ме на рис. 5-10-1.

В рассматриваемой схеме уравновешенного моста предусмотрен контроль исправности прибора. При установке переключателей # Ï , П 2 и Я 3 в положение К И замыкаются зажимыА, В и Си одновременно параллельно резистору R t включает­ ся резистор R K. „, что вызывает разбаланс схемы моста. При исправном приборе указатель должен установиться против красной отметки на шкале.

Даваемую в заводской инструкции по эксплуатации КСМЗ [11] рекоменда­ цию о возможности корректировки сопротивления реохорда по мере его износа с помощью подгоночного резистора г„ следует считать неприемлемой. Износ рео­ хорда по его длине, как правило, неодинаковый и вследствие этого его следует заменять новым. Реохорд целесообразно изготовлять с заданным нормированным сопротивлением /?„. р, что значительно упрощает его замену.

Уравновешенные мосты КСМЗ выпускаются класса точности 0,5. Пределы допускаемой основной погрешности записи на всех отметках диаграммы равны ±1% нормирующего значения измеряемой величины.

Приборы КСМЗ могут быть снабжены выходными устройствами (ферродинамическими, частотными, пневматическими преобразователями), а также допол­ нительными устройствами для регулирования. При наличии в мостах КСМЗ

выходных устройств предел допускаемой основной погрешности преобразования входного сигнала в выходной не должен превышать 1,5—2,5% разности верхнего и нижнего пределов изменения выходного сигнала в зависимостиот типа преобра­ зователя и места привязки его к механизму прибора.

5-12. Автоматические компенсационные прибрры для работы с малоомными термометрами сопротивления

При измерении малоомными термометрами с чувствительным элементом из платиновой проволоки диаметром 0,2—0,5 мм темпера­ тур до 1000°С и выше приходится измерять сопротивления, соиз­ меримые с сопротивлением проводов, соединяющих термометр с прибором. Аналогичный случай имеет место и при измерении пла­ тиновым термометром низких температур в пределах от —200 до —260°С. В этом случае при температурах, равных —240, —250 и —260°С, платиновый термометр с номинальным значением сопро­ тивления при 0°С R„ = 100 Ом имеет сопротивление соответственно 2,750; 1,093 и 0,510 Ом.

Рассмотренные выше серийно выпускаемые автоматические урав­ новешенные мосты, применяемые в комплекте со стандартными термометрами сопротивления (ГОСТ 6651-59), обеспечивают изме­ рение температур только в интервале от —200 до +650°С. Автома­ тические приборы, необходимые для измерения температуры ниже —200°С и выше +650°С с помощью термометров сопротивления, в настоящее время изготавливаются только по специальным за­ казам.

Для измерения температур малоомными платиновыми термо­ метрами сопротивления, а также низких температур применяют автоматические приборы, разработанные НПО «Термоприбор» [19].

Ниже в качестве примера рассмотрим одну из схем автоматиче­ ского компенсационного прибора, разработанного НПО «Термо­ прибор» для измерения малых значений сопротивления (около 0,1—0,01 Ом). Измерительная схема этого прибора имеет более высокую чувствительность по сравнению с уравновешенными моста­ ми, что позволяет обеспечить измерение низких температур в про­ мышленных условиях с достаточной точностью, а также измерять температуру с использованием малоомных термометров сопротивле­ ния. Применение четырехпроводной схемы присоединения термо­ метра позволило полностью исключить влияние на результаты изме­ рения сопротивления проводов, соединяющих термометр с прибо­ ром.

Принципиальная схема автоматического компенсационного при­ бора переменного тока для измерения и записи низких температур (ниже 0°С) приведена на рис. 5-12-1. Здесь Яс— термометр сопро­

= R„.pR„ (Rn.р + Я,,)'1; Re — балластный резистор для ограничения тока в цепи термометра; Трт — трансформатор тока. Остальные обозначения соответствуют принятым выше.

Питание измерительной схемы осуществляется напряжением переменного тока 6,3 В, частотой 50 Гц от вторичной обмотки сило­ вого трансформатора усилителя. Термометр сопротивления RT и балластный резистор включены в схему последовательно с пер­ вичной обмоткой трансформатора тока Трт. Нагрузкой вторичной обмотки трансформатора тока являются резистор Rn и приведенное сопротивление реохорда Rlip. Рассматриваемая схема прибора позволяет измерять активное сопротивление термометра путем автоматической компенсации напряжения, возникающего на зажи­ мах термометра Ьс, противоположным ему по фазе напряжением, снимаемым с резистора Ru, и сопротивления реохорда левее движ­ ка а.

Рис. 5-12-1. Принципиальная схема автоматиче­ ского компенсационного прибора.

Когда измеряемая температура, а следовательно, и сопротивле­ ние термометра соответствуют начальному значению шкалы прибора, движок реохорда а находится на схеме в крайнем правом положе­ нии. В этом случае напряжение на термометре компенсируется напряжением, снимаемым с резистора Raи реохорда Rnp:

где Ii — ток, протекающий через термометр сопротивления и пер­ вичную обмотку трансформатора тока; / 2 — вторичный ток транс­ форматора; RT_„— сопротивление термометра, соответствующее начальному значению шкалы прибора.

При нарушении равновесия напряжений вследствие уменьшения сопротивления термометра, а следовательно, и измеряемой темпера­ туры на вход усилителя подается напряжение небаланса. Это на­ пряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, кинематически связанный с движком реохорда и указа­ телем, передвигает их й приводит измерительную схему в равнове­ сие, В этом случае положению равновесия схемы соответствует