Измерительные схемы, применяемые в автоматике

ЗАДАНИЕ 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АВТОМАТИКЕ.

В системах автоматики используется множество датчиков, различных по устройству и назначению. Основной функцией датчика является преобразование входной величины любой физической природы в величину на выходе, более удобную для контроля, регулирования или управления. Однако непосредственно использовать выходной сигнал датчика для воздействия на последующие элементы автоматической системы (и даже для непосредственного измерения и сравнения) не всегда возможно. Преобразование выходной величины датчика в удобный для последующего использования и измерения вид осуществляется в измерительных схемах. Входной величиной измерительной схемы обычно являются переменное сопротивление (активное и реактивное) или напряжение.

Из большого разнообразия измерительных схем наиболее широко используются мостовые, дифференциальные и компенса­ционные.

Мостовые схемы.

Такие схемы применяют преимущественно совместно с датчика­ми, работа которых основана на изменении активного и реактивного сопротивлений. Мостовые схемы осуществля­ются как на постоянном, так и на переменном токе и могут быть двух видов: неравновесные (небалансные) и равновесные (балансные).

Простейшая схема неравновесного моста (рис. 1А) состоит из трех постоянных резисторов  и резисторного датчика , которые составляют плечи моста. Источник напряжения , включен в одну диагональ  АС моста, а выходное напряжение моста  снимается с другой его диагонали ВD— измеритель­ной, в которую включен измерительный прибор ИП.

В неравновесной мостовой схеме реализуется метод непосред­ственного отсчета, заключающийся в использовании выходного напряжения     или тока прибора  для осуществления воз­действия или измерения.

Если сопротивления плеч моста подобраны так, что потен­циалы точек В и D одинаковы, то ток в цепи прибора I_ПР будет отсутствовать. При равновесии мостовой схемы I_ПР =0 и при питании ее постоянным по величине напряжением на основании законов Кирхгофа для замкнутых контуров можно записать

,

Условие равновесия моста на постоянном токе . Для неуравновешенного моста это условие не выполняется, в связи с чем на его измери­тельной диагонали всегда имеется некоторая разность потен­циалов. Величину изменения сопротивления датчика  в схеме неуравновешенного моста определяют по его выходному напряже­нию, соответствующему изменению указанного сопротивления.

В равновесной мостовой схеме (рис.1Б) применяется нулевой метод измерения: изменение сопротивления одного плеча (входная величина моста) уравновешивается изменением сопротивления другого (других) плеча (R1 и R2) до момента исчезновения тока в измерительной диагонали I_ПР=0. В этом случае определяющей величиной является компенсирующее сопротивление R_P. Измери­тельный прибор — нуль-индикатор НИ, в качестве которого используют гальванометр здесь служит только для выявления

наличия разбаланса, при возникновении которого схема балансируется вновь перемещением движка регулировочного резистора R_P. В производственных условиях при непрерывных измерениях уравновешивание такого моста производится автоматически.

Дифференциальная схема.

Электрическую цепь, состоящую на двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдель­ная ЭДС (рис. 2), называют дифференциальной схемой. Измери­тельный прибор, включаемый в ветвь, общую для обоих контуров, реагирует на разность контурных токов I₁ и I₂. Когда внешнего воздействия нет, то ЭДС и сопротивления контуров равны, токи I₁ и I₂ равны и ток через прибор равен нулю: Iпр =0.

Дифференциальные схемы, как правило, работают на перемен­ном токе и могут быть использованы в двух режимах: 1) при неизменных ЭДС (рис.2а) изменяется сопротивление одного пли обоих контуров (±DZ — входная величина);

2) при неизмен­ных сопротивлениях обоих контуров ( РИС 2б) изменяется либо одна, либо обе ЭДС (±DE — входная величина). Режим работы определяется типом применяемого датчика.

Дифференциальные схемы пригодны как для измерения изме­няющегося напряжения (или ЭДС), так и переменных сопротивле­ний. Дифференциальные схемы применяют при необходимости срав­нения двух величин или измерения не абсолютного значения кон­тролируемой величины, а ее изменения в некотором диапазоне. По сравнению с мостовой схемой дифференциальная имеет боль­шую чувствительность.

Компенсационная схема. Для измерений малых ЭДС, напри­мер создаваемых генераторными датчиками, используется компен­сационная схема.

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемая ЭДС (или напряжение) уравновешивается равным и противопо­ложным по знаку падением напряжения, значение которого может быть установлено и определено с высокой точностью.

Простейшая компенсационная схема для измерения ЭДС постоянного тока приведена на рис. 3 В этой схеме так назы­ваемый рабочий ток 1 создает падение напряжения вдоль реохорда.

Измеряемая ЭДС Е_X через гальва­нометр (нуль-индикатор) НИ подается между точками а и Ь. Компенсирующее падение напряжения  снимается с реохорда; при постоянстве тока оно пропорционально расстоянию между точ­ками а и b. Ток через нуль-индикатор на основании второго  закона Кирхгофа определяется выражением

где Е_X — измеряемая ЭДС; U — компенсирующее напряжение;

R_{ab -}  часть сопротивления реохорда; R_ПР — сопротивление нуль-индикатора; R_X — внутреннее сопротивление источника Е_X.

В момент компенсации  и ток через нуль-индикатор = 0. Сопротивление R_ab представляет собой часть сопротивления реохорда R_P, поэтому компенсирующее напряже­ние U может быть записано так:    где .

Таким образом, измеряемое напряжение U_X вполне определяется положением движка реохорда, если сопротивление реохорда Rр и ток I неизменны.

Постоянство сопротивления реохорда обеспечивается подбором материала, из которого он изготовлен, постоянство рабочего тока — точным измерением и периодической регулировкой или применением стабилизированного источника, поддерживающего постоянным рабочий ток.

Уравновешивание схемы может осуществляться вручную или автоматически.

Основными достоинствами компенсационного метода измерения являются высокая чувствительность (благодаря нулевому методу измерения); независимость результата измерения от изменения сопротивления соединительных проводов; отсутствие потребления энергии от исследуемого датчика в момент компенсации.