6

Тверской государственный технический университет

Кафедра АТП

Лабораторная работа

Изучение нормирующего измерительного преобразователя электрического сопротивления и определение его статической характеристики в нормальных и рабочих условиях

Выполнил Студент Группа ФИО

Проверил

Тверь 2009

I. Цель работы

Изучение принципа действия нормирующего измерительного преобразователя электрического сопротивления и освоение методики определения его статической характеристики и погрешности в нормальных и в рабочих условиях.

II. Задание на работу

1. Изучить принцип действия нормирующего измерительного преобразователя электрического сопротивления.

2. Определить статическую характеристику нормирующего преобразователя в нормальных условиях.

3. Определить статическую характеристику нормирующего преобразователя в рабочих условиях.

4. Определить приведенную, основную и дополнительную погрешности нормирующего преобразователя.

III. Назначение и принцип действия нормирующего измерительного преобразователя электрического сопротивления

Нормирующий измерительный преобразователь электрического сопротивления предназначен для преобразования сигнала первичных электрических резисторных преобразователей (термо-, фото-, терморезисторных и др.) в унифицированный токовый сигнал, изменяющейся в диапазонах: (0 - 5)мА; (0 - 20)мА или (4 - 20)мА.

По месту в измерительной цепи нормирующий измерительный преобразователь является промежуточным и обеспечивает ввод информации от первичных измерительных преобразователей (датчиков) в электрические, пневматические, гидравлические системы автоматического регулирования и средства электронной вычислительной техники.

В промышленности названной выше преобразователь чаще всего используется совместно с резисторным преобразователем температуры (термометром сопротивления).

Принципиальная схема нормирующего измерительного преобразователя электрического сопротивления (далее - нормирующего преобразователя) показана на рис.1для случая, когда в качестве первичного измерительного преобразователя ПИП используется резисторный преобразователь температуры, имеющий линейную статическую характеристику

, (1)

где t и t_H- измеряемое и начальное значение температуры;

R_tи R_H- значения сопротивления резисторного преобразователя соответственно при температурах t и t_H;

 - это температурный коэффициент электрического сопротивления.

Из (1) находим

, (2)

где R_t = R_t - R_H - изменение электрического сопротивления под действием температуры ;

K = R_H - постоянный коэффициент.

В нормирующем преобразователе с помощью неравновесного электрического моста НМ, составленного из постоянных манганиновых резисторов R₁, R₂, R₃, R₄, к которому через медные проводники сопротивлением R_лподключен первичный резисторный преобразователь температуры ПИП, осуществляется преобразование изменений сопротивления R_tв пропорциональный сигнал напряжения

,(3)

где U_p- сигнал (разбаланс) неравновесного электрического моста;

K_м - коэффициент преобразования неравновесного моста.

Питание неравновесного электрического моста осуществляется от стабилизированного источника питания постоянного тока ИПС.

Для преобразования разбаланса неравновесного электрического моста НМ в ток используется метод уравновешивающего (в данном случае статического) преобразования, который реализуется потенциометром с переменной силой рабочего тока, а именно: сигнал разбаланса моста U_pсравнивается с падением напряженияUна манганиновом резисторе R, которое создается током обратной связиI_oc. РазностьUсигналовU_p иUподается на вход электронного усилителяJ₁. Здесь (для получения стабильного коэффициента усиления) сигнал постоянного по природе тока преобразуется в сигнал переменного тока, затем усиливается и преобразуется в сигнал постоянного тока. Выходной сигналU_выхусилителяJ₁создается ток I, который поступает на вход усилителя обратной связиJ₂и к нагрузке R_н(например, электронный регулятор, электропневматический преобразователь, вычислительная машина и т.п.). Ток I_осна выходе усилителяJ₂изменяется пропорционально току на его входе

,(4)

где К₂коэффициент усиления по току усилителяJ₂.

Выходной сигнал I_осусилителяJ₂изменяется и изменяет падение напряженияUдо тех пор, пока разностьUне достигнет некоторой малой величиныU, называемой статической ошибкой уравновешивания (часто применяется термин “ошибка компенсации”). Наличие статической ошибки компенсации приводит к тому, что во входном контуре усилителяJ₁протекает некоторый недокомпенсированный ток. При этом, чем больше преобразуемое значениеU_p, тем больше этот ток, а как следствие - большое значениеU.

Исключить ошибку Uв устройствах, реализующих метод уравновешивающего статического преобразования, принципиально невозможно, так как выходной сигнал усилителяJ₁ и ток I_осв выходном контуре усилителяJ₂определяются наличием этой ошибки), а является движущей причиной работы всего устройства) и пропорциональны ей. В то же время, статическая ошибка может быть уменьшена, если использовать усилительJ₁с большим коэффициентом К₁.

Уравнение статической характеристики нормирующего преобразователя может быть получено следующим образом. В момент равновесия (условие компенсации) для обходного контура справедливо выражение

. (5)

Для падения напряжения на резисторе R имеем

. (6)

С учетом (4) выражения (6) преобразуется к виду

(7)

Из выражений (5), (3) и (7) находим

. (8)

Если коэффициент усиления усилителя Jвелик (К₁), то значениемUв выражении (8) можно пренебречь (U0). Тогда из (8) находим

, (9)

и далее

, (10)

где - коэффициент преобразования нормирующего преобразователя.

Как видно из выражения (10) статистическая характеристика нормирующего преобразователя по отношению к приращению сопротивленияR_tпервичного измерительного преобразователя является пропорциональной. В выпускаемых промышленностью нормирующих преобразователях коэффициент преобразованияKможно изменять в достаточно широких пределах путем преобразованияK_мнеравновесного моста. Это обеспечивает возможность преобразования сигналов различных резисторных первичных преобразователей в унифицированной токовой сигнал.

Для определения коэффициента преобразования конкретного нормирующего преобразователя достаточно знать: нижний R_ни верхнийR_впределы измерений преобразователя, а также нижниеI_ни верхниеI_взначения выходного сигнала (такая информация приводится в технической документации на нормирующий преобразователь). Тогда в соответствии с уравнением статической характеристики (10) преобразователя коэффициент преобразования определяется из выражения

.(11)

Если I_н = 0,I_в= 5 мА, то из (11) находим

.(12)

Нормирующие преобразователи выпускаются с классами точности - 0,25; 0,5 и 1,0.Класс точности этих измерительных устройствобычно нормируется приведенной погрешностью по входу_Rили выходу_I,которые определяются соответственно из выражений

,(13)

, (14)

где: R_t^Д- действительное значение сопротивления,подключенного ко входу нормирующего преобразователя (обычно при поверке определяется значением меры или показаниями образцового прибора);I^п- выходной токовый сигнал преобразователя, имеющий место при значении входного сопротивления равнымR_t^Д. В зависимости от условий применения измерительных устройств, в том числе и нормирующих преобразователей, различают основную и дополнительную погрешности.

Основная погрешностьизмерительного устройства - это погрешность, возникающая при его эксплуатации в нормальных условиях.Нормальные условияприменения (значения и изменения окружающей температуры, атмосферного давления, напряжения питания и т.д.) указываются в технической документации на измерительные устройства.

Дополнительная погрешностьизмерительного устройства - это погрешность, вызванная отклонением одной из влияющих величин^*за пределы значений, определенных нормальными условиями применения измерительного устройства. Иными словами, дополнительная погрешность - это часть погрешности, которая добавляется (имеется ввиду алгебраическое сложение) к основной погрешности в случаях, когда измерительное устройство применяется в так называемых рабочих условиях.Рабочие условия- это условия работы измерительного устройства, при котором изменения значений влияющих величин больше чем допустимые для нормальных условий. Таким образом, общая погрешность_общможет быть определена по формуле

. (15)

Формула (15) записана для приведенных основной и дополнительной_доп(по входу или выходу) погрешностей, значения которых подставляются в эту формулу со своими знаками.

Появление дополнительных погрешностей можно рассматривать как изменение формы статической характеристики измерительного преобразователя. Например, если нормирующий преобразователь в данном конкретном случае при нормальных условиях применения имеет линейную форму статической характеристики, описываемую выражением (10), то при появлении дополнительной погрешности его статическая характеристика может сместится или стать нелинейной I=f(R_t).