Измерительные схемы

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет

имени  А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Механико-технологический факультет

Кафедра автоматизации технологических процессов

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы автоматизации»

ТЕМА

 
«Измерительные схемы»

 

 

 

 

Выполнил студент

Группы ЗАсд-113

Проверил:

ст. преподаватель

Шлегель А.Н.

 

 

 

Владимир 2013

 

 

 

Содержание

1. Понятие измерительных преобразователей (ИП), виды, классификация.   3
2. Измерительные схемы.                                                                                      6 
   2.1 Измерительные схемы с делителями тока и напряжения.                       6 
   2.2 Мостовые измерительные схемы с гальванометром.                               6 
   2.3 Мостовые измерительные схемы с логометрами.                                    8 
   2.4 Измерительные схемы статического уравновешивания.                       11 
   2.5 Измерительные схемы астатического уравновешивания.                     13 
   2.6 Измерительные схемы развертывающего уравновешивания.               16
3. Статические характеристики приборов.                                                        17
4. Заключение.                                                                                                      18
5. Список литературы.                                                                                         19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие измерительных преобразователей (ИП), виды, классификация.

 
Эксплуатация аппаратов связаны с получением данных о значении различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления - механических, тепловых, химических, оптических и других величин, которые принято называть неэлектрическими.

Существует ряд способов измерения неэлектрических величин, различающихся по виду энергии сигнала измерительной информации.

Наиболее широко распространенный способ измерения- электрический . Он имеет ряд достоинств, а именно: точность, удобство в эксплуатации измерительных приборов, легкость в исполнении (проектировании, производстве), хорошо изученный математический материал, компактность измерительных приборов, возможность сопряжения с вычислительной машиной.

Измерительный преобразователь (ИП), иногда его называют датчиком, предназначен для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Как правило, в своем составе он имеет первичный преобразователь (ПП) или чувствительный элемент и измерительную цепью.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Структура устройства для измерения неэлектрических величин

 

 

Упрощенная структурная схема измерительного устройства (прибора) приведена на рис.1, где:

ПП - первичный измерительный преобразователь

ИЦ - измерительная цепь

ОУ - отчетное устройство

Размещенный непосредственно на объекте ПП преобразует неэлектрическую величину Х в электрическую величину У

К первичным преобразователям (ПП) предъявляют требования воспроизводимости и однозначности характеристики преобразования У=F(Х), стабильности во времени характеристики преобразователя, минимального обратного действия преобразователя на исследуемый объект, точности, быстродействия и т.д.

Первичные измерительные преобразователи очень разнообразны по принципу действия, устройству, виду энергии входного сигнала, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

 

 

 

Существуют параметрические ПП для которых характерно то, что

сигналы, получаемые от измеряемого объекта, служат только для управления энергией постороннего источника, включенного в электрическую цепь. В данном случае основным выходным сигналом является изменение параметров электрических цепей- сопротивления, емкости, индуктивности под действием сигнала от измеряемого объекта, поэтому эти ПП называются параметрическими.

Генераторные ПП характеризуются тем, что сигналы, получаемые от измеряемого объекта, непосредственно преобразуются в электрические сигналы. При этом желаемый эффект преобразования может быть получен без использования посторонних источников энергии основой работы является непосредственное преобразование измеряемых сигналов различных видов в электрические сигналы (генерирование электрической энергии).

По физической природе явлений, лежащих в основе их работы, первичные преобразователи можно подразделить на:

- механические резистивные (контактные, реостатные, тензометрические)

-электростатические (емкостные, пьезоэлектрические)

-электромагнитные (индуктивные, индукционные, магнитоупругие)

-теплоэлектрические (термоэлектрические, терморезистивные)

-оптико-электрические

-атомные (ионизационного излучения, квантовые) и множество других.

Только одно перечисление групп первичных преобразователей неэлектрических величин свидетельствует о том, насколько широк круг вопросов, относящихся к измерению неэлектрических величин, и как важно унифицировать методы и средства их измерений.

На вход первичного преобразователя кроме входной величины Х действуют и другие параметры объекта и окружающей среды. В этих условиях первичный преобразователь должен избирательно реагировать только на значение входной величины и не реагировать на влияние всех остальных факторов. Задача подавления чувствительности первичного преобразователя, к влияющим величинам, относится к важным задачам, решаемым конструктивными и схемными методами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Измерительные схемы.

 

Измерительная цепь представляет собой функционально-структурную схему, отображающую методы и технические средства реализации требуемой функции преобразования прибора. Измерительная цепь включает все элементы прибора от входа до устройства воспроизведения (указатель, регистратор и др.). Измерительная схема прибора – понятие более узкое, она не включает первичного преобразователя, устройства воспроизведения и др.

Измерительные цепи можно разделить на цепи прямого преобразования, когда преобразователи соединяются последовательно или параллельно согласно, и цепи уравновешивающего преобразования, когда все или основные преобразователи соединены параллельно встречно (цепи с обратной связью).

 

2.1 Измерительные схемы с делителями тока и напряжения.

Измерительные цепи с параметрическими преобразователями содержат схемы делителей тока и напряжения, неравновесные мостовые схемы постоянного и переменного тока

В качестве простейших схем измерительных цепей применяют схемы делителей напряжения (рис.1, а) и делителя тока (рис.1, б), в которых измерительным прибором является логометр.

В схеме делителя напряжения падения напряжения на сопротивлениях R1 и R2 подаются на рамки логометров с сопротивлением RР. Показание логометра, пропорциональное отношению токов I1 и I2 в рамках, можно выразить через параметры схемы

.                                                                              (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Для увеличения чувствительности схемы сопротивления рамок логометра должны быть значительно больше сопротивлений потенциометра.

Так как сопротивление рамок логометра выполняется из меди, то отношение токов (I) будет зависеть от температуры T окружающей среды. Если воспользоваться тем, что

,

где a- температурный коэффициент, и обозначить e=R1/R    (R=R1+R2), то получим:

,                                                                (2)

где

Из выражения (2) видно, что при a0>>0 вместе с повышением чувствительности уменьшаются температурные погрешности схемы. Например, при а=3 и T=100°С температурная погрешность составляет 2,5%.

Для схемы делителя тока отношение токов I1 и I2 в рамках логометра будет

.                                                                                      (3)

Чувствительность этой схемы возрастает с уменьшением RР по сравнению с сопротивлением потенциометра R=R1+R2. При этих условиях температурные погрешности также уменьшаются.

 

2.2 Мостовые измерительные схемы с гальванометром.

Измерительные цепи многих приборов содержат неравновесные    мостовые схемы постоянного тока с гальванометрами и логометрами в качестве указателей.

Схема моста с гальванометром в качестве указателя приведена на рис.2 , а), где R1, R2, R3, RX  - сопротивления плеч моста; RГ — сопротивление гальванометра и U — напряжение питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сила тока в измерительной диагонали моста

(4)

 

При условии

,                                                                                      (5)

 сила тока I в гальванометре обращается в нуль и мост находится в равновесии.

Если из сопротивлений плеч моста, например RX, является переменным, зависящим от измеряемого параметра x, то сила тока I при этом изменяется. Следовательно, между силой тока I и сопротивлением RX при постоянных значениях других сопротивлений и при постоянном напряжении питания U существует однозначная зависимость вида

,                                                                                              (6)

позволяющая преобразовать изменение сопротивления в изменение силы тока. Вместо одного может быть два (рис.2, б) или все четыре плеча переменными.

Из выражения (4) видно, что ток I пропорционален напряжению питания U. Если напряжение изменится на DU, то сила тока изменится на DI, т.е.

.                                                                                             (7)

Следовательно, каждому проценту изменения напряжения соответствует процент погрешности. Поэтому для питания мостовых схем необходим источник со строго постоянным напряжением.

В авиационных приборах, содержащих мостовые неравновесные схемы, возникают температурные погрешности вследствие влияния температуры окружающей среды на сопротивление рамки, магнитную индукцию и другие параметры гальванометра. Для компенсации этих погрешностей применяют различные компенсационные устройства, чаще всего добавочные сопротивления с нулевым или отрицательным температурным коэффициентом, включаемые последовательно с рамкой гальванометра. При этом удается понизить температурный коэффициент прибора до допустимых значений путем снижения его чувствительности.

Из приведенных соображений ясно, что от условий наибольшей чувствительности нередко приходится отказываться, чтобы удовлетворить другим требованиям, предъявляемым к прибору.

 

2.3 Мостовые измерительные схемы с логометрами.

Измерительную цепь с мостовой схемой и логометром  представлена на рисунке (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где: R1, R2, R3, RX — сопротивления плеч моста, причем последнее плечо — измерительное; RP — сопротивление рамок логометра, R5—сопротивление полудиагонали.

Отклонение подвижной системы логометра является функцией отношения сила токов в рамках, т.е.

.

Но отношение сил токов зависит от параметров схемы

или, если положить R1=R3,

.                                             (8)

По формуле (8) при заданных значениях сопротивлений моста можно найти отношения сил токов в рамках логометра, а следовательно, и угол j отклонения подвижной системы.

В приборах с логометрическими указателями сопротивление полудиагонали R5 обычно выбирают из условий компенсации температурных погрешностей, вызванных влиянием температуры T окружающей среды на рамки логометра. Сопротивление R5 в этом случае выполняется из двух частей: R5=R5’+RT первое из которых с нулевым температурным коэффициентом, а второе — с положительным температурным коэффициентом, например, медное.