книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

нет шунтов реохордов Вщ и Вз (сопротивлние реохорда во второй схеме равно сопротивлению реохорда в первой схеме вместе с шунтами) н некоторых других деталей, которые не имеют прин­ ципиального значения для работы схемы. О назначении всех этпх деталей будет сказано ниже.

При стандартпзацтш тока в данной измерительной схеме при­ водится к стандартной величине (2 ма) ток в нижней ветви /г путем сравнения э. д. с. нормального элемента НЭ с падением напряжения на сопротивлении стандартизации /!ст. Но так как величины сопротивлений обеих ветвей неизменны, причем сопро­ тивление верхней ветви с реохордом вдвое меньше сопротивления нижней ветви, то, приводя ток /г к стандартной величине 2 ма, одновременно приводят и ток Ii к стандартной величине 4 ма. Таким образом, и величина падения напряжения па реохорде приобретает стандартную, калиброванную величину.

Чтобы автоматически учитывать изменение температуры сво­ бодных концов термопары, измерительная схема должна автомати­ чески изменять пределы компенсирующего напряжения, которое снимается с движка реохорда Вр и точки а.

Это изменение пределов (сдвиг шкалы) осуществляется в из­ мерительных схемах автоматических приборов благодаря тому, что сопротивление Вк выполнено в виде катушки, намотанной из никелевого или медного провода (поэтому в инструкциях по электронным потенциометрам она обычно обозначается BNi или

Вм). Сопротивление этой катушки изменяется в зависимости от температуры окружающей среды; с повышением температуры сопротивление возрастает, с понижением убывает. Катушка со­ противления Вк помещается в том же месте, где находятся свобод­ ные концы термопары (концы компенсационных проводов), чтобы и катушка и концы термопары имели всегда одинаковую темпера­ туру.

При этом компенсирующее напряжение измерительной схемы при изменении температуры компенсационной катушки изменяется на такую же величину, как э. д. с. термопары при изменении тем­ пературы ее свободных концов. Если температура свободных кон­ цов термопары всегда равна температуре компенсационной ка­ тушки, то при изменении ее не изменяется положение точки баланса на реохорде, которое в этом случае зависит только от температуры горячего спая термопары.

Чтобы компенсация изменения температуры свободных кон­ цов термопары точно достигалась при всех возможных значениях этой температуры, сопротивление компенсационной катушки должно изменяться в зависимости от температуры по тому же закону, что и э. д с. термопары. В тех пределах, в которых обычно изменяется температура свободных концов термопары (от 0 до

ТЛ

При расчете компенсационного сопротивления учитываются характеристика термопары (изменение ее э. д. с. в зависимости от температуры) и характеристика провода, из которого наматы­ вается катушка (степень изменения сопротивления с изменением температуры). Величина компенсационного сопротивления зави­ сит только от типа термопары и свойств провода.

Особенно большое значение приобретает точная компенсация изменения температуры свободных концов термопары, когда при­ бор имеет узкие пределы измерения, соизмеримые с пределами изменения температуры окружающего воздуха. Например, в элек­ тронном потенциометре со шкалой от —50 до +50° С точность прибора в основном определяется точностью подбора компенса­ ционной катушки.

Пределы шкалы прибора подгоняются при помощи сопроти­ влений R i , R з и R t .

Особенности измерительных схем электронных потенциометров.

Электронный нуль-индикатор (НИ) используется и для балан­ сировки измерительной схемы и для приведения силы тока в изме­ рительной цепи к стандартной величине. В первом случае ре­ версивный электродвигатель (РД), управляемый электронным усилителем (ЭУ), передвигает движок реохорда, во втором — движок батарейного реостата. Конструктивно это достигается тем, что при нажатии переключателя стандартизации П (рис. 122, а) ось батарейного реостата механически соединяется при помощи фрикциона с осью реохорда и вращается вместе с ней. Батарейный реостат обычно состоит из двух обмоток, одна из которых (i?6. г) с сопротивлением в несколько десятков ом предназначена для грубой настройки, а другая (Ro.t) с сопро­ тивлением несколько ом — для точной настройки. Это позволяет компенсировать значительные изменения напряжения измери­ тельной батареи Б а и точно устанавливать стандартные значения тока.

Чтобы работа прибора в момент стандартизации была более спокойной, чувствительность электронного нуль-индикатора в это время необходимо значительно снизить. Во время измере­ ний нуль-индикатор должен реагировать на напряжение неба­ ланса в несколько микровольт, а во время стандартизации на напряжение приблизительно 1 мв. Излишне высокая чувстви­ тельность приводит к «дрожанию» стрелки около точки баланса.

Понижение чувствительности нуль-индикатора достигается под­ ключением параллельно его входу сопротивления R 6 (рис. 122, а), величина которого равна около 20 ом. Сопротивление подклю­ чается к входу нуль-индикатора при переводе переключателя П в положение стандартизации. Именно поэтому переключатель П изготовляется не однополюсным, как показано на схеме рис. 122, б, а многополюсным.

Сопротивление R$ и электролитический конденсатор большой емкости Сф, включаемые в цепь термопары, являются фильтром. Фильтр не пропускает в измерительную схему прибора перемен­

2S2

ные напряжения помех, которые могут индуктироваться в тер­ мопаре и компенсационных проводах. Это особенно важно в тех случаях, когда термопара плп компенсационные провода распо­ лагаются в непосредственной близости от электросиловых уста­

ствующих потенциометрах, т. е. приборах, в которых каретка передвигается с большой скоростью (менее чем за 3 сек. про­ ходит всю шкалу), имеются специальные устройства, при по­

рости вращения реверсивного двигателя РД. В некоторых электронных потенциометрах имеются устройства, сигнализи­ рующие об обрыве цепи термопары. В случае обрыва цепи термо­ пары на электронный нуль-индикатор подается сигнал, приводя­ щий стрелки прибора к началу или концу шкалы.

Расчет измерительной схемы электронного потенциометра. Методику простейших расчетов измерительных схем компенса­ ционных приборов работникам КИП знать нужно обязательно, так как это позволяет лучше понять действие этих схем, взаимо­ зависимость их параметров и быстро изменять шкалы приборов, необходимость в чем практически возникает часто.

При расчете измерительной схемы электронного потенцио­ метра (рис. 123) обычно бывают заданы или выбирают следую­ щие величины:

1)тип и характеристика термопары;

2)пределы шкалы прибора;

3)э. д. с. нормального элемента Еп э;

4)рабочие пределы изменения напряжения измерительной батареи Б и;

5)силы токов в ветвях моста / i и 1ч и, следовательно, суммар­

ный ток в неразветвленной части цепи /;

253

3)сопротивление стандартизации R CT;

4)сопротивления Ri и Rt;

5)сопротивление реохорда и его шунтов, а если применяется стандартный реохорд, то и подгоночное сопротивление.

При переградуировке имеющегося прибора, как правило, R 6r Rci и реохорд не изменяют и задача расчета ограничена опреде­ лением величин сопротивлений RH, Ri, R з и Rt.

Батарейный реостат /?с предназначен для регулировки тока / в неразветвленной части цепи измерительной схемы и, следова­ тельно, токов Ii и /г в ветвях моста. Он должен поддерживать стандартные величины этих токов при максимальном напряже­

деляется свойствами сухого элемента или аккумулятора, который используются в качестве батареи Б ш. Для сухих элементов, кото­ рые в большинстве случаев используются в электронных потен­ циометрах, напряжение i/имакс = 1,5 в. Минимальное напряже­ ние измерительной батареи не должно быть меньше напряжения Uw на диагонали моста, которое в свою очередь должно быть

точно равным расчетной величине, конечно, нет необходимости, тем более, что это сложно. Сопротивление Ro должно быть не менее расчетной величины, значительное превышение ее также нежелательно, так как уменьшает плавность регулировки тока.

Величина компенсационного сопротивления RH определяется из условия, что изменение падения напряжения на этом сопроти­ влении (A U,; = ДДк^г) при изменении температуры от t0 до t должно быть равно изменению э. д. с. термопары при том же

254

изменении температуры холодного спая и при неизменной темпе­ ратуре горячего спая термопары ( ДЕт= Ег —Ет0).

Изменение величины компенсационного сопротивления Вк пропорционально величине этого сопротивления при начальной температуре, температурному коэффициенту сопротивлениями провода компенсационной катушки и величине изменения темпе­ ратуры, т. е.

характеристике (градуировочным таблицам) термопары. Условие правильной работы компенсационной катушки будет

Из этого выражения видно, что величина компенсационного сопротивления не зависит от шкалы прибора, она зависит от характеристики (типа) термопары, температурного коэффици­ ента сопротивления материала компенсационной катушки и тока в ветви с компенсационной катушкой.

Величины сопротивлений Ri и Ri определяются из условия, что разность потенциалов между точками а и б мостовой схемы, т. е. напряжение Еаб, должна быть равной а. д. с. термопары при температуре, соответствующей началу шкалы прибора Е1МИН. Напряжение Uae должно быть равным э. д. с. термопары при тем­

Етмин и Етмакс определяют по градуировочным таблицам.

255

В условии, из которого определены величины сопротивлений R 1 и i ? 4 , сделано допущение, что движок реохорда при предель­ ных значениях измеряемой величины находится в точках б и в , т. е. на концах обмотки реохорда. По конструктивным же сообра­ жениям движок не доходит на несколько миллиметров до концов обмотки, на них имеются нерабочие витки (1—2% от общего ко­ личества). Поэтому полученные путем расчета величины сопро­ тивлении Ri и R i нужно при регулировке прибора несколько откорректировать.

Величину общего сопротивления реохорда вместе с шунтами R p" определяют из условия, что падение напряжения на нем при протекании тока Ii должно быть равно разности э. д. с., соответ­ ствующих верхнему и нижнему пределам шкалы прибора, т. е. диапазону шкалы в милливольтах:

Здесь сделано то же допущение, что и при определении со­ противлений R 1 и Rt.

Пример 1. Определим данные измерительной схемы, приведен­ ной на рис. 123. Заданы следующие величины. Тип термопары

Рабочие пределы изменения напряжения измерительной батареи Ва

Определяем величину компенсационного сопротивления RK„> задавшись пределами компенсируемой температуры холодного спая t0 = 0° и t = 50° С и определив по градуировочным та-

256

И з м е р е н и е т е м п е р а т у р ы п р и п о м о щ и т е р м о м е т р о в

Применение термометров сопротивлений для измерения темпе­ ратуры основано на том, что электрическое сопротивление провод­ ников изменяется при изменении их температуры. Изменение это для металлических проводников вполне закономерно и опреде­ ленно, т. е. для данного проводника всякому значению темпера­ туры соответствует строго определенное значение сопротивления. Металлические проводники с повышением температуры увеличи­ вают сопротивление, с понижением уменьшают.

Термометр сопротивления представляет собой тонкую метал­ лическую проволоку или ленту, намотанную на специальный кар­ кас. Обмотка с каркасом заключается в защитный чехол, предох­ раняющий ее от вредного воздействия среды. Термометр сопро­ тивления помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, и по величине электрического сопротивления термо­ метра судят о его температуре и, следовательно, о температуре среды.

Термометр сопротивления имеет большие размеры, поэтому им нельзя измерить температуру в определенной точке, как термо­ парой. Термометр измеряет среднюю температуру вещества, в ко­ тором он находится. В большинстве случаев это является преиму­ ществом.

Большим недостатком в ряде случаев является значительная инерционность термометров сопротивления вследствие их боль­ шой массы. Это приводит к тому, что при резких изменениях температуры среды показания прибора, работающего с термо­ метром сопротивления, могут значительно отставать от действи­ тельной температуры. В приборах с термопарами это явление выражено значительно слабее.

их электрического сопротивления от температуры прямоли­ нейная и они могут быть получены в чистом виде, без примесей, что очень важно для получения стандартных термометров с оди­ наковыми характеристиками. Чтобы получить чувствительный элемент термометра достаточно большого сопротивления и не слишком большого веса и размеров, его выполняют из провода малого диаметра. Это определяет малую прочность элемента и невозможность применять термометры для измерения высоких температур. Платиновые термометры сопротивления применяются для измерения температуры в пределах от —150 до 500° С, медные от —50 до 100° С.

Для измерения температуры в указанных пределах при по­ мощи автоматических компенсационных приборов термометры сопротивлений имеют известные преимущества перед термопа­ рами: возможность получения большой точности измерений вслед­

258

ствие отсутствия необходимости учитывать температуру Свобод­ ных концов, большая простота и надежность вторичных ириборов.

Измерение температуры при помощи термометра сопротивле­ ния сводится к измерению величины его электрического сопро­ тивления. Для этого обычно термометр включают в схему моста. На рис. 124, а показан такой мост. Одно плечо моста — термо­ метр сопротивления R r.Ci второе — постоянное сопротивление Ri, третье — сопротивление /<2' , составленное из постоянного сопро­ тивления R 2 и части реохорда Rp, заключенной между его левым концом и движком (точкой б), четвертое — сопротивление R 3' . составленное из постоянного сопротивления 7?з и правой части

Rp

Рпс. 124. Измерительная схема уравновешенного моста. а — упрощенная; б — полная.

реохорда. К одной диагонали моста (точкам а ив) подсоединяется источник постоянного или переменного напряжения U. К другой диагонали (точки б и г) подключается нуль-индикатор, который должен отмечать наличие напряжения между точками б и г.

Как известно, мост будет в равновесии, т. е. напряжение между точками б и г(£/бг) будет равно нулю, в том случае, когда вели­ чины сопротивлений его плеч составляют пропорцию:

R T . с • R a = , R i : R% •

Величина сопротивления термометра Лт. с изменяется с изме­ нением температуры среды, в которой он находится. Следова­ тельно, если мост был сбалансирован при какой-то определенной температуре термометра ЛТ С, то при изменении этой температуры баланс будет нарушен п нуль-индпкатор обнаружит появление напряжения Ибг- Для восстановления баланса потребуется пере­ двинуть движок реохорда (точка б) в новое положение, при кото­

ром будет соблюдена упомянутая выше пропорция. При передви­ жении движка реохорда но обмотке одновременно изменяются со­ противления двух плеч моста Я2 и Яя'. Одно из этих сопротивле­ ний увеличивается, а другое уменьшается.

Величины сопротивлений, входящих в мост, рассчитываются и подгоняются так, чтобы при изменениях температуры, на кото­ рые рассчитана шкала прибора, баланс моста мог быть достигнут изменением положения движка реохорда. При этом, когда темпе­ ратура имеет предельные значения, баланс моста достигается при крайних положениях движка. Таким образом, каждому значению температуры термометра сопротивления соответствует определен­ ное положение движка реохорда. С движком связывается указа­ тель, который передвигается но шкале, градуированной в °С.

Такие мосты называются уравновешенными, так как они при измерениях все время приводятся к балансу, к равновесию. Их очень большим преимуществом является независимость показа­ ний от величины питающего напряжения U.

Электронные автоматические мосты выполняются по прин­ ципу уравновешенных мостов. В качестве нуль-нндикатора в них применяется электронный нуль-индикатор того же типа, что и в электронных потенциометрах, — электронный усилитель, кото­ рый управляет вращением реверсивного электродвигателя. Элек­ тродвигатель передвигает движок реохорда к точке баланса и одновременно перемещает указывающую стрелку по шкале и перо регистрирующего устройства по диаграмме.

Измерительная схема электронного моста может питаться постоянным и переменным напряжением. В первом случае элек­ тронный нуль-индикатор моста ничем не отличается от индикатора электронного потенциометра — на входе он имеет устройство, преобразовывающее постоянное напряжение небаланса в пере­ менное. При питании мостовой схемы переменным напряже­ нием (50 гц) электронный нуль-индикатор не имеет преобразова­ теля, что упрощает его схему и повышает надежность прибора.

Для измерения температуры в большинстве случаев приме­ няются электронные мосты переменного тока.

Измерительные мостовые схемы, которые применяются в элек­ тронных автоматических мостах (рис. 124, б), имеют небольшие, но существенные отличия по сравнению с простейшей схемой уравновешенного моста (рис. 124, а). В измерительной схеме моста, как и в измерительной схеме потенциометра, реохорд имеет два шунтирующих сопротивления Я т и Я 4. Первое из этих сопро­ тивлений предназначено для подгонки общего сопротивления реохорда к некоторой стандартной величине, а второе для под­ гонки сопротивления разветвления к данной конкретной схеме, па заданные пределы измерений.

Характерной особенностью применяемых схем мостов являются наличие так называемых подгоночных сопротивлений Яч и Я i и особый способ подключения к мостовой схеме питающего напряже­ ния. Делается это для учета сопротивления линии термометра,

260