Г Л А В А I I I
НЕКОТОРЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Выходная величина датчиков бывает обычно либо электрической, либо определяется изменением давления воздуха или жидкости. В последнем случае измерительным прибором является манометр.
У большого количества датчиков выходная величина является электри ческой. При этом не всегда возможно измерить эту величину непосредст венно прибором. В этом случае приходится перед измерением преобразо вывать выходную величину датчика в другой вид электрической величины, удобный для измерения. Например, выходной величиной термометра со противления является электрическое сопротивление. Для измерения этого сопротивления применяется мостовая схема, где одним плечом является датчик (термометр сопротивления).
При этом изменение сопротивления преобразуется в изменение напря жения измерительной диагонали схемы. Измерительная схема служит, следовательно, для преобразования выходной величины датчика в другую электрическую величину, удобную для измерения.
Для измерения переменного сопротивления применяют мостовые схемы, для измерения индуктивностей — дифференциальные схемы, емкости из меряют мостовой схемой, резонансной и схемой на биениях, применяется много различных измерительных схем.
Ниже рассмотрены наиболее распространенные измерительные при боры и схемы, которые используются в автоматических устройствах, при меняемых в промышленности и представляющие собой:
1. Мостовые измерительные схемы постоянного и переменного тока.
2. Дифференциальные измерительные схемы. 3. Компенсационные измери тельные схемы. Схема прибора может включать в себя одновременно все указанные виды измерительных схем.
Выходной величиной измерительной схемы является обычно ток или напряжение. Поэтому основными измерителями являются приборы, из меряющие эти величины.
В подавляющем большинстве случаев в качестве измерителей приме няются магнитоэлектрические приборы — милливольтметр или логометр. Милливольтметр применяется в случаях использования генераторных дат чиков, т. е. датчиков, у которых выходной величиной является э. д. с., а
также в мостовых схемах при |
стабилизированном напряжении |
питания. |
В случае если выходная |
величина измерительной схемы |
зависит |
от величины напряжения источника, питающего схему, применяются логометры.
Из вышеизложенного видно, что измерительная схема по существу яв ляется преобразователем и, следовательно, характеризуется своей чув ствительностью.
Чувствительностью измерительной схемы, так же как и чувствитель ностью датчика, является производная выходной величины по входной.
Так как датчик соединяется обычно непосредственно с измерительной схемой, то приходится рассматривать общую чувствительность датчика и схемы. Обозначив через хвх и хвых входные и выходные величины датчика и через увх и увых входные и выходные величины измерительной схемы и учитывая, что выходная величина датчика является входной величиной схемы, можем написать выражение для общей чувствительности
__ йувых |
dyBbix |
dxВых |
о |
с |
||
— — |
|
— — |
• ------ |
— |
, |
|
dxBX |
dxвх |
dyBX |
|
|
||
где S — общая чувствительность датчика |
и |
измерительной схемы; |
||||
5 Д— чувствительность |
датчика; |
|
схемы. |
|
||
5 С— чувствительность |
измерительной |
|
у§ 2. МОСТОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Мостовые измерительные схемы применяются для измерения сопро тивления, индуктивности, емкости угла потерь и частоты. Так как датчики, измеряющие неэлектрические величины, имеют часто в виде выходной
величины |
электрическое |
сопротивление, то |
|
|
|||||||
эти схемы получили широкое применение при |
|
|
|||||||||
измерении |
таких величин, |
как температура, |
|
|
|||||||
напряженность |
и сдвиги в конструкциях, вес |
|
|
||||||||
и т. п. Высокая |
чувствительность |
мостовых |
|
|
|||||||
схем также способствует |
их |
широкому |
при |
|
|
||||||
менению. Мостовые |
схемы |
применяются |
на |
|
|
||||||
постоянном и |
переменном токе. |
|
|
|
|
|
|||||
Мостовые |
схемы |
постоянного |
тока. На |
Рис. 3.1. Мостовая измеритель |
|||||||
рис. 3.1 |
дана |
простейшая |
четырехплечная |
ная схема |
постоянного тока |
||||||
мостовая схема |
постоянного тока. |
|
и соот |
|
|
||||||
Различают два метода |
измерения |
|
2) метод непос |
||||||||
ветственно два |
типа |
мостовых схем: |
1) |
нулевой метод, |
|||||||
редственного |
отсчета. |
|
|
|
|
|
|
|
Нулевой метод заключается в том, что мост уравновешивают, т. е. до
биваются того, чтобы ток в измерительной |
диагонали |
был равен нулю. |
|||
Например, если нужно измерить сопротивление R it |
то можно изменять |
||||
сопротивление R 3 и добиться, |
чтобы ток прибора |
|
|||
|
|
/ Пр = |
О, |
|
|
при |
этом будет |
|
|
|
|
|
/i = / 2> |
4 » |
|
||
кроме того |
|
|
|
|
|
|
h R i = |
/ 3Яз и h R i = |
hRi- |
|
|
Разделив почленно первое на второе и сократив, получим |
|||||
|
|
Ri _ R3 |
|
|
|
|
|
*2 |
*4 |
|
|
или |
искомое сопротивление |
D _ D |
^2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
А4 |
|
|
Такой метод измерения достаточно точен (ошибка может быть меньше 0,5%). Мосты подобного типа называются равновесными или балансными, они основаны на нулевом методе измерения.
При методе непосредственного отсчета измеряемая величина опреде ляется по показанию прибора, включенного в измерительную диагональ.
Зависимость между сопротивлениями плеч, напряжением и током при бора может быть определена из эквивалентной схемы. Эквивалентную схему легко составить, пользуясь методом эквивалентного генератора, который излагается в общем курсе электротехники.
Согласно этому методу, всякую линейную электрическую цепь для опре деления тока в любой ее ветви г можно заменить генератором, э. д. с. ко торого равна напряжению на ветви z, когда ток в ней равен нулю, а внутрен-
|
Rt |
Рис. 3.2. Эквивалент |
Рис. 3.3. Схема для определения |
ная схема |
эквивалентного сопротивления |
нее сопротивление равно сопротивлению остальной части цепи (относи тельно ветви г) при условии, что все участки, на которых есть э. д. с., замк нуты накоротко.
В нашем случае для определения тока прибора / пр эквивалентная схе ма будет иметь вид рис. 3.2. Напряжение генератора 0 ХХ, равное напряже нию измерительной диагонали, когда ток в ней будет равен нулю, равно
Uхх = U — ^ ------- U — ^ — .
R1+ R2 Rz + Ri
Внутреннее сопротивление генератора, равное сопротивлению моста
(■относительно измерительной диагонали, |
при |
коротком замыкании между |
||
точками с и б), определяется схемой рис. 3.3 и равно |
||||
г = |
R 1R2 |
I г R 3 R* |
а |
|
9 |
Ri + R* |
+ |
Rs + Ri * в |
Отсюда ток прибора
ТUXX
Пр /э + Япр
и после подстановки значений Ихх и г , и преобразований получаем
j _ ц ___________________ RiRi—RaRz___________________
пр R np(Ri + R2)(R3+ R*) + RiR2{R3+ Ri) + R 3Ri{Ri + R2)
Это — общее выражение тока измерительного прибора мостовой схемы. Частный случай равновесного моста, рассмотренный нами выше, по лучаем при условии равенства RiRt = R 3Rz. Из формулы, определяющей ток измерительного прибора, видно, что этот ток зависит от напряжения источника питания. Поэтому, для получения качественных измерений либо должны быть приняты меры, обеспечивающие постоянство напряжения, либо в качестве измерительного прибора нужно пользоваться логометром.
Обычно мостовые схемы делают симметричными, а именно — сопротив ления Ri = R 2 и К з = R*- При этом плечи R 3 и /?4 делают минимальными. Величина гэ берется приблизительно равной сопротивлению измеритель
ного |
прибора /?пр. |
|
|
|
|
|||
Мостовые схемы переменного тока. Все рас |
|
|
||||||
суждения и зависимости, изложенные для мостов |
|
|
||||||
постоянного тока, могут быть распространены и |
|
|
||||||
на мосты переменного тока. Схема |
моста рис. |
|
|
|||||
3.4 |
отличается |
от схемы на рис. 3.1 только |
|
|
||||
тем, что плечи состоят из сопротивлений z, со |
|
|
||||||
держащих, |
кроме |
активных составляющих, и |
|
|
||||
реактивные. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость тока прибора / прдля мостов пе |
Рис- 3*4, |
|
||||||
ременного тока |
выразится такой же формулой. |
Мостовая измери- |
||||||
Считая, что 2 комплексная величина, получаем |
тельная ^^переменного |
|||||||
|
J |
__ |
у |
_______________________ z lz 4 |
Z3Z2_______________________ |
|||
|
|
Пр |
|
Znp (Zi + Z2) (z3 + Z4) + ZXZ2 (z3 + Z4) + |
Z3Z4 (Zi + |
z2) ' |
||
Условие равновесия будет z4z4 = z3z2. |
|
|
|
|||||
Если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z = R + |
jx = |
зе1?, |
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a = VR* + x \ |
a j = 1Г= ГГ |
|
||
R — активное, |
x — реактивное сопротивление |
плеча, |
то |
|||||
|
|
|
zxz4 = z3z2 = зхз ^ (<?1 + u) |
= зъзге!i?a+ 9a). |
|
Как видно, условие равновесия в данном случае наступает при
зхз4 = з2з3 и Фх + ф4 = Фг + Фз-
Условие равновесия моста переменного тока может быть таким же, как и моста постоянного тока, если = х2 = х 3 = х4 = 0, т. е. если есть только одни активные сопротивления.
§ 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Дифференциальной измерительной схемой называется электрическая цепь, состоящая из двух смежных контуров (рис. 3.5). В каждом контуре действует своя электродвижущая сила. Из мерительный прибор включен в ветвь, общую для двух контуров.
Такая схема удобна в случае использо вания индуктивных датчиков. В этом случае zx и z2 являются сопротивлениями этих дат чиков. Дифференциальная схема проще мостовой и в некоторых случаях имеет более высокую чувствительность.
Измерительный прибор, включенный в общую ветвь, показывает разность контурных токов. Разность токов появляется в резуль тате изменения одной или обеих э. д. с., или в результате изменения одного или обоих
сопротивлений. Наиболее часто датчиками являются сопротивления. Из рис. 3.5 нетрудно видеть, что чувствительность схемы возрастает при ис пользовании дифференциального индуктивного датчика. Если Zt и г2 яв ляются сопротивлениями дифференциального индуктивного датчика, то увеличение тока прибора будет проходить под действием обоих контурных токов, что увеличивает чувствительность.
Разновидностью дифференциальной схемы является схема с выходным трансформатором. В этой схеме прибор измеряет разность контурных токов не непосредственно, а через трансформатор. Дифференциальный трансформатор имеет симметричную первичную обмотку с выведенной нулевой точкой. При равенстве токов 1± и / 2, направленных встречно, ре зультирующий магнитный поток трансформатора равен нулю. При изме нении сопротивлений Zi и z2 будут меняться токи / 4 и / 2. Магнитный поток (если нет насыщения) будет пропорционален разности этих токов.
§ 4. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
При компенсационном методе измерения измеряемую величину уравно вешивают однородной величиной обратного знака. Положительной особен
ностью этого метода является |
то, что измерение происходит без потреб |
||||||||
|
|
ления |
мощности |
от датчика. |
|
Поэтому, а |
|||
|
|
также |
благодаря |
высокой точности |
этот |
||||
|
|
метод широко применяется. |
метода |
изме |
|||||
|
|
Для |
иллюстрации |
этого |
|||||
|
|
рения рассмотрим |
схему ручного потенци |
||||||
|
|
ометра (рис. 3.6). Окончание |
измерения |
||||||
|
|
фиксируется |
нульприбором — НП. Нуль- |
||||||
|
|
прибор |
представляет |
собой |
|
милливольт |
|||
|
|
метр с нулем |
в |
середине шкалы. |
Когда |
||||
|
|
переключатели |
и Я 2 стоят в положении |
||||||
|
|
«измерение», |
то |
образуется |
|
замкнутый |
|||
|
|
контур, состоящий из термопары 777, |
|||||||
|
|
нульприбора НП и части сопротивлений |
|||||||
|
|
Ягр и 7?т, ограниченных движками (точки а |
|||||||
|
|
и б). Если э.д. с., развиваемая термопарой, |
|||||||
|
|
равна падению напряжения, которое соз |
|||||||
|
|
дается |
рабочим током |
/ раб на |
участке со |
||||
Рис. 3.6. |
Схема переносного |
противлений между движками, то ток в |
|||||||
этом контуре |
равен нулю. Отсутствие тока |
||||||||
ручного |
потенциометра |
в контуре фиксируется |
нульприбором. Ве |
||||||
|
|
личина |
э. д. |
с. |
термопары |
определяется |
поТголожению рукояток реостатов. При условии, что ток / раб имеет строго определенное значение, а реостаты сделаны из калиброванной проволоки, единице длины реостата соответствует определенная величина падения на пряжения и шкалы рукояток могут быть проградуированы непосредственно в милливольтах.
Рабочий ток / раб создается батареей Я. Так как э. д. с. батареи с тече нием времени изменяется, то последовательно с батареей включено пере менное сопротивление.
Для контроля рабочего тока потенциометр. имеет нормальный элемент НЭ. Нормальный элемент является гальваническим элементом, у которого положительным электродом служит ртуть, а отрицательным амальгама кадмия. Каждый электрод покрывается слоем деполяризатора. Электро литом является насыщенный раствор сернокислого кадмия. Э.д. с. элемента составляет 1,0186 в и почти не изменяется. При нормальной эксплуатации
э. д. с. нормального элемента не должна измениться больше чем на 500 мкв в течение года.
При контроле величины рабочего тока переключатели Я t и Я 2 устанав ливаются в положение «контроль» и замыкается переключатель Я 3. В ре зультате этого образуется замкнутый контур, состоящий из Н Э, R u Ян.э ,
/?2 и Я 3. |
В этом контуре действуют два напряжения: э. д. с. нормального |
элемента |
э и падение напряжения на сопротивлении Ян.э , создаваемая |
рабочим током. Ток в этом контуре будет равен нулю, когда Ян.э • /раб = = Е н,э , т. е. когда рабочий ток будет иметь одно определенное значение, а именно
г__ Е Н.э
У Раб _ П |
• |
Л Н .Э |
|
Если рабочий ток не равен заданной величине (при этом стрелка нульприбора не стоит на нуле), то при помощи переменного сопротивления R можно придать рабочему току требуемое значение.