2.2.2. Приборы для измерения электрических величин

Для измерения электрических сигналов в виде активного сопротивления применяют автоматические мосты, логометры и цифровые приборы. Для измерения электрических сигналов в виде ЭДС применяют автоматические потенциометры, милливольтметры и цифровые приборы.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРИБОРОВ

Мостовые измерительные схемы. В измерительных схемах (ИС) приборов и систем дистанционной передачи показаний (СДПП) широко применяются мостовые измерительные схемы. По принципу действия они подразделяются на мостовые неуравновешенные и уравновешенные мостовые схемы, причем последние являются модификацией первых.

Свойство мостовых схем заключается в том, что если произведение сопротивления противоположных плеч равно друг другу, то ток и падение напряжения на концах измерительной диагонали отсутствуют. Схема в этом случае уравновешена. Для схемы, показанной на рис. 2.2, а, уравнение равновесия имеет вид

R₁R_X = R₂R₃

где R₁, R₂, R₃ ~— постоянные сопротивления; R_x — измеряемое сопротивление.

При изменении сопротивления R_x уравнение нарушается. По измерительной диагонали начинает протекать ток, а в точках А и С появляется падение напряжения, причем их значения пропорциональны степени разбаланса, т.е. изменению сопротивления R_x, Таким образом, в неуравновешенной измерительной схеме измерения возможно проводить только при разбалансе схемы (нет соблюдения уравнения равновесия).

Мостовая неуравновешенная измерительная схема (рис. 2.2, а) состоит из четырех плеч АВ, ВС, CD и DA, которые образованы тремя постоянными сопротивлениями R_l, R₂, R₃ и неизвестным измеряемым сопротивлением R_x.

Плечи образуют две диагонали: диагональ питания BD и измерительную АС. В диагональ питания подводится напряжение переменного или постоянного тока U_пит, а в измерительную диагональ включается измерительный прибор ИП, измеряющий падение напряжения или ток (величина напряжения питания 4...6 В).

Мостовая уравновешенная измерительная схема (рис. 2.1, б) также имеет четыре плеча АВ, ВС, CD и DA, диагонали питания BD и измерительную АС. Особенностями этой схемы являются следующие:

- в измерительную диагональ включается нуль-индикатор НИ - прибор, фиксирующий отсутствие тока или падения напряжения;

- в плечо, смежное с тем, куда подключено измеряемое сопротивление R_x включается сопротивление реохорда R_p. Реохорд представляет собой переменное сопротивление типа реостата, движок которого связан с показывающей стрелкой отсчетного устройства ОУ;

- постоянные сопротивления и, и R₂ подбираются равными, т. е.R₁ = R₂.

Измерения в этой схеме проводят следующим образом.

Перемещая движок реохорда, добиваются нуля показаний нуль-индикатора. Это означает, что ток в измерительной диагонали отсутствует, а значит, выполняется условие равновесия мостовой схемы.

Из условия R₁ = R₂ следует, что R_x = R_p. Таким образом, по показаниям ОУ реохорда можно определить значение R_x

Рис.2.2. Мостовые схемы:

а – мостовая неуравновешенная схема; б – мостовая уравновешенная схема

Измерительные приборы, использующие в качестве измерительных схем мостовые уравновешенные, сложнее по устройству, чем приборы с неуравновешенными мостовыми схемами, но более точны.

Следует понимать, что в измерительных приборах, используемых в промышленности, измерение электрических сопротивлений не является самоцелью. Они предназначены для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение электрического сопротивления.

Потенциометрические измерительные схемы. Используются в приборах, предназначенных для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение падения напряжения или электродвижущей силы (ЭДС).

Рис. 2.3. Потенциометрическая схема измерений

В потенциометрических измерительных схемах измеряемая величина ЭДС компенсируется падением напряжения на калибровочном сопротивлении. Схема измерения показана на рис. 2.3. От источника постоянного напряжения Е через сопротивления реохорда R_p проходит ток I_1, создающий на реохорде падение напряжения U_AB. Эта цепь образует контур I схемы. Контур II образован источником измеряемой ЭДС Е_х и участком реохорда между точками А и В. В него включен нуль-индикатор НИ. Движок реохорда связан с показывающей стрелкой ОУ. Измерения проводят следующим образом.

Перемещением движка реохорда добиваются показания нуля на нуль-индикаторе. Это означает, что падение напряжения на реохорде от источника питания компенсируется измеряемой ЭДС. Таким образом, по шкале реохорда можно судить о величине контролируемого параметра.

Дифференциальные измерительные схемы. Дифференциальные измерительные схемы отличаются повышенной точностью измерения контролируемого параметра, так как измеряют не его абсолютную величину, а разность между ней и некоторой калиброван­ной (высокоточной) величиной. Эти схемы применяют для измерения технологических параметров, преобразованных в электрическое сопротивление или в падение напряжения (ЭДС).

Рис. 2.4. Дифференциальные измерительные схемы: а — дифференциальная измерительная схема для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение электрического сопротивления; б — дифференциальная измерительная схема для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение электрического напряжения переменного тока

На рис. 2.4, а показана дифференциальная ИС для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение электрического сопротивления. Она представляет собой неуравновешенную индуктивно-резистивную мостовую схему, Плечи моста АС, СЕ, BD и DA образованы двумя постоянными индуктивными сопротивлениями L₁ и L₂, постоянным активным сопротивлением R₁ и измеряемым сопротивлением R_x. Диагональ CD питается напряжением переменного тока от трансформатора ТV. В измерительную диагональ АВ включен измерительный прибор ИП, измеряющий ток, или падение напряжения. При изменении величины R_x возникает разбаланс мостовой схемы, уравнение равновесия которой X_L1r_{x =} X_L2R₁ Он вызывает появление в измерительной диагонали тока или падения напряжения пропорциональных изменению сопротивления R_x.

На рис. 2.4, 6 показана дифференциальная ИС для измерения технологических параметров, преобразованных в изменение электрического напряжения переменного тока. Схема также представляет мостовую неуравновешенную схему с плечами AC, CB, BD и DA. На диагональ питания CD напряжение подается от трансформатора TV. В измерительную диагональ АВ включен измерительный прибор ИП, измеряющий величину тока или падение напряжения. Отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что датчик технологического параметра включается в плечо АС. При измене­нии контролируемой величины меняется индуктивное сопротивление обмотки L₂ (X_L2), Это вызывает изменение ЭДС E_1, что приводит к появлению тока в измерительной диагонали и падению напряжения в точках А и В. Полученный сигнал пропорциональный Е₁, а следовательно, и контролируемому параметру, измеряется прибором ИП.

Измерители – регуляторы микропроцессорного типа (на примере изделий фирмы «Овен»).

На современном этапе развития измерительных приборов, как средств отображения информации, все более широкое распространение получают цифровые показывающие измерительные приборы с встроенной функцией регулирования на базе микропроцессорных средств.

Назначение таких средств – отображение и регулирование (аналоговое и дискретное) технологических параметров, измерение которых преобразовано в токовый сигнал и сигнал напряжения, а также для работы с преобразователями температуры стандартных градуировок (типов НСХ).

На рис. 2.5 приведена обобщенная функциональная схема такого измерителя – регулятора.

измерительные датчики

входы

Рис. 2.5. Функциональная схема цифрового измерителя-регулятора

Рассмотрим основные функции элементов этой схемы:

Входы.

Входы служат для подключения к прибору различных типов первичных измерительных преобразователей (датчиков). Количество одновременно подключаемых входов (каналов) может быть 1, 2 и 8. Однако, некоторые фирмы выпускают измерители и на большее число каналов. (10, 12, 16, 20).

Входы могут иметь различные модификации:

- для подключения ТПС (10М; 50М; 100М; 50П…)

-для подключения термопар; (ТХА; ТХК; ТПП…)

-для подключения датчиков с выходным унифицированным токовым сигналом (0 … 5мА; 0… 20мА; 4…20мА);

-для подключения датчиков с выходным унифицированным аналоговым сигналом по напряжению (0…1В).

В многоканальных приборах ко всем входам подключаются датчики только одного типа. Тип датчика устанавливается пользователем при покупке.

Блок обработки входного сигнала.

В блоке обработки входного сигнала осуществляется:

а) коррекция измерений (компенсация погрешностей датчиков).

Первый вид коррекции используется для компенсации погрешностей, вносимых сопротивлениями соединительных линий (проводов) при использовании двухпроводной схемы подключения термопреобразователя сопротивления. Второй вид коррекции используется при отклонении значения - относительное сопротивление, характеризующее степень частоты термометрического материала – от номинального.

б) цифровая фильтрация.

Первый вид позволяет защитить измерительный тракт от сильных единичных помех. Второй вид фильтрации снижает действие небольших высокочастотных помех.

в) Вычисление дополнительных величин.

В ряде измерителей – регуляторов кроме вычисления измеряемой величины и ее поддержания есть вычислитель разности водных сигналов температуры с двух термопреобразователей сопротивления: . Наиболее часто эта возможность используется для регулирования влажности: прибор поддерживает значение , установленное по психрометрической таблице в соответствии со значением влажности. Некоторые приборы имеют вычислитель влажности с заложенными значениями психрометрической таблицы, что позволяет поддерживать и измерять непосредственно влажность. Приборы других модификаций имеют вычислитель квадратного корня, который может преобразовывать квадратичную характеристику дифманометров в линейную при измерении расхода методом переменного перепада давления.

Логические устройства (ЛУ)

Логические устройства (ЛУ), в соответствии с заданными пользователем параметрами, формируют сигналы управления, которые через выходные устройства (реле, транзисторные ключи и т.п.) подаются на исполнительные механизмы.

Режимы работы логических устройств

а) измеритель-регистратор

б) двухпозиционный регулятор

в) аналоговый регулятор (или просто «регулятор»)

а) Измеритель-регистратор

При работе в режиме «измеритель - регистратор» ЛУ преобразует входную величину в аналоговый сигнал в виде тока 4…20мА, который можно подавать на самописец или другое регистрирующее устройство.

б) Двухпозиционный регулятор (релейный, «вкл./выкл.», компаратор)

В режиме двухпозиционного регулятора (компаратора) ЛУ сравнивает значение входной величины с установками и выдает управляющий сигнал на выходное устройство в соответствии с заданной логикой.

Выходной сигнал двухпозиционного регулятора может иметь только два значения: максимальное и минимальное. Одно из них включает, а другое выключает выходное устройство. Поэтому для работы ЛУ в режиме двухпозиционного регулятора требуется выходное устройство ключевого типа (реле, транзисторная оптопара или оптосимистор).

в) Аналоговый регулятор

В режиме аналогового регулятора ЛУ рассчитывает отклонение Е текущего значения контролируемой величины Т от заданной установки Т_уст. (т.е. рассогласование). В результате на выходе регулятора вырабатывается аналоговый сигнал У, который направлен на уменьшение рассогласования Е. Этот сигнал подается на исполнительное устройство регулятора в виде тока или последовательности импульсов (ШИМ).

Если в качестве выходных устройств прибора используются реле, выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов с длительностью D.

,

где D - длительность импульса, с;

Т_сл – период следования импульсов, с (задается пользователем при программировании);

Y – выходной сигнал регулятора.

Если в качестве выходного устройства используется ЦАП, выходной сигнал преобразуется в пропорциональный ему ток 4…20мА.

Наиболее распространенный и эффективный вид регулирования, осуществляющийся в приборах, является пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) вид регулирования.

Выходные устройства (ВУ)

Выходные устройства (ВУ) предназначены для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы либо передачи данных на регистрирующее устройство.

В микропроцессорных приборах используются выходное устройство ключевого типа и выходное устройство аналогового типа.

К выходным устройствам ключевого типа относятся:

- электромагнитное реле;

- транзисторная оптопара;

- симисторная оптопара.

Выходное устройство аналогового типа – это, как правило, цифроаналоговый преобразователь, который формирует токовую петлю 4…20мА на активной нагрузке 0…1000Ом. Выходное устройство аналогового типа имеет гальваническую развязку от схемы прибора.