Metoda porównawcza z miarą

W technice pomiarowej często stosuje się metodę poprawy dokładności, która polega na porównaniu wartości wielkości mierzonej z wartością wielkości odtworzonej za pomocą specjalnej miary. W tym przypadku mierzony jest inny (różnicowy) sygnał, a ponieważ pomiar zwykle obarczony jest niewielkim błędem, zapewniona jest wysoka dokładność pomiaru.

Metoda ta jest podstawą działania mostków pomiarowych i potencjometrów.

Zwykle wartość odwzorowywana przez miarę jest korygowana, aw procesie pomiaru ustawiana jest jej wartość dokładnie równa wartości wartości mierzonej.

Podczas pomiaru mostków rezystancje są używane jako taka miara - rechordy, za pomocą których równoważona jest rezystancja przetwornika termicznego, która zmienia się, gdy zmienia się temperatura obiektu.

W potencjometrach pomiarowych zwykle stosuje się stabilne źródło napięcia z regulowanym wyjściem. W trakcie pomiarów napięciem takiego źródła kompensowana jest siła elektromotoryczna generowana przez czujnik. W takim przypadku ta metoda pomiaru nazywana jest kompensacją.

W obu przypadkach zadaniem kolejnych urządzeń (urządzeń) jest jedynie rejestracja faktu równości wartości mierzonej i miary, w związku z czym wymagania wobec nich są znacznie zmniejszone.

Oznaczanie temperatury metodą mostków pomiarowych

Jako przykład rozważmy zasadę działania mostka pomiarowego w trybie ręcznym.

Rysunek 1a przedstawia obwód mostka do pomiaru temperatury Θ pewnego obiektu w celu kontrolowania OR (lub pomiaru OI). Podstawą takiego obwodu jest obwód zamknięty czterech rezystorów RTC, Rp, Rl, R2, tworzących tzw. ramiona mostka. Punkty połączenia tych rezystorów nazywane są wierzchołkami (a, b, c, d), a linie łączące przeciwległe wierzchołki (a-b, c-d) nazywane są przekątnymi mostka. Jedna z przekątnych (c-d, rys. 1.a) jest zasilana napięciem zasilającym, druga (a-b) jest pomiarowa lub wyjściowa. Taki obwód nazywany jest mostkiem, od którego pochodzi nazwa całego urządzenia pomiarowego.

Rezystor RTC jest podstawowym przetwornikiem pomiaru temperatury (termistorem) umieszczonym w bliskiej odległości od mierzonego obiektu (często wewnątrz niego) i połączonym z torem pomiarowym przewodami o długości do kilku metrów.

Głównym wymaganiem dla takiego przetwornika termicznego jest liniowa zależność jego rezystancji czynnej RTC od temperatury w wymaganym zakresie pomiarowym:

gdzie R0 jest nominalną rezystancją przekształtnika termicznego w temperaturze Θ0 (zwykle Θ0 = 20°C):

α — współczynnik temperaturowy zależny od materiału przetwornika termicznego.

Najczęściej używane termistory metalowe TCM (miedź) i TSP (platyna) są czasami nazywane termistorami metalowymi (MTP).

Rezystor zmienny Rp jest wysoce precyzyjnym rechordem (pomiarem) omówionym powyżej i służy do równoważenia zmiennego RTC. Rezystory R1 i R2 uzupełniają obwód mostka. W przypadku równości ich rezystancji R1 = R2, obwód mostka nazywany jest symetrycznym.

Ponadto, FIG. 1.a przedstawia przyrząd zerowy (NP) do ustalania równowagi mostka oraz strzałkę ze skalą wyskalowaną w stopniach Celsjusza.

Ryż. 1. Pomiar temperatury mostkami pomiarowymi: a) w trybie ręcznym; b) w trybie automatycznym

Z elektrotechniki wiadomo, że warunek równowagi (równowagi) mostka jest spełniony, gdy iloczyn rezystancji przeciwległych ramion mostka jest równy, czyli uwzględniający rezystancję przewodów łączących czujnik:

gdzie Rp = Rp1 + Rp2 jest sumą rezystancji przewodów; lub dla mostka symetrycznego (R1 = R2)

W takim przypadku na przekątnej pomiarowej nie ma napięcia, a urządzenie zerowe wskazuje zero.

Gdy zmienia się temperatura Θ obiektu, zmienia się rezystancja czujnika RTC, równowaga jest zaburzona i należy ją przywrócić, przesuwając suwak drutu ślizgowego.

W tym przypadku wraz z suwakiem strzałka będzie przesuwać się wzdłuż skali (linie przerywane na rys. 1.a oznaczają mechaniczne połączenie suwaka ze strzałką).

Odczytów dokonuje się tylko w momentach równowagi, dlatego takie układy i urządzenia często nazywane są zrównoważonymi mostkami pomiarowymi.

Główną wadą obwodu pomiarowego pokazanego na ryc. 1.a, to obecność błędu spowodowanego rezystancją przewodów Rp, która może zmieniać się w zależności od temperatury otoczenia.

Błąd ten można wyeliminować stosując trójprzewodową metodę podłączenia czujnika (patrz rysunek 1.b).

Jego istota polega na tym, że za pomocą trzeciego drutu górne „c” przekątnej zasilania jest przesuwane bezpośrednio na opór cieplny, a dwa pozostałe druty Rп1 i Rп2 znajdują się w różnych sąsiednich ramionach, tj. stan równowagi mostka symetrycznego przekształca się w następujący sposób:

Zatem, aby całkowicie wyeliminować błąd, wystarczy użyć tych samych przewodów (Rp1 = Rp2) przy podłączaniu czujnika do obwodu mostka.

Automatyczny system kontroli temperatury

Aby zrealizować automatyczny tryb pomiaru (rys. 1b), wystarczy zamiast zerowania podłączyć do przekątnej pomiarowej wzmacniacz fazoczuły (U) i silnik rewersyjny (RD) z przekładnią.

W zależności od charakteru zmiany temperatury obiektu, droga kołowania przesunie suwak RP w jednym lub drugim kierunku, aż do ustalenia równowagi. Napięcie na przekątnej a-b zniknie i silnik się zatrzyma.

Ponadto silnik przesunie wskaźnik wskaźnika i rejestrator (PU), jeśli to konieczne, aby zapisać odczyty na pasku wykresu (DL). Pasek graficzny jest napędzany ze stałą prędkością przez silnik synchroniczny (SM).

Z punktu widzenia teorii automatyki ta instalacja pomiarowa jest systemem automatycznej regulacji temperatury (SAK) i należy do klasy serwosystemów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Funkcja sprzężenia zwrotnego jest realizowana przez mechaniczne połączenie wału silnika RD z rekordem Rp. Wartość zadana to termopara TC. W takim przypadku obwód mostka pełni dwie funkcje:

1. porównanie urządzenia

2.konwerter (ΔR na ΔU).

Napięcie ΔU jest sygnałem błędu

Elementem wykonawczym jest silnik rewersyjny, a wartością wyjściową jest ruch 1 strzałki (lub jednostki rejestrującej), gdyż celem każdego SAC jest dostarczenie informacji o wartości sterowanej w formie dogodnej dla percepcji człowieka.

Rzeczywisty obwód mostka pomiarowego KSM4 (rys. 2) jest nieco bardziej skomplikowany niż pokazany na rys. 1b.

Rezystor R1 to rechord — drut o wysokim oporze elektrycznym nawinięty na izolowany drut. Ruchomy silnik ślizga się po drucie ślizgowym i wzdłuż szyny miedzianej równolegle do drutu ślizgowego.

W celu zmniejszenia wpływu przejściowej rezystancji styku silnika na dokładność pomiaru, w różnych ramionach mostka znajdują się dwie części drutu ślizgowego, oddzielone od silnika.

Przeznaczenie pozostałych rezystorów:

• R2, R5, R6 — manewr, aby zmienić granice pomiaru lub zakres skali,

• R3, R4 — aby ustawić (wybrać) temperaturę na początku skali,

• R7, R9, P10 — zakończ obwód mostka;

• R15 — do regulacji równości rezystancji drutów Rп na różnych ramionach mostu,

• R8 — aby ograniczyć prąd termistora;

• R60 — aby ograniczyć prąd wejściowy wzmacniacza.

Wszystkie rezystory wykonane są z drutu manganowego.

Mostek zasilany jest napięciem przemiennym (6,3 V) ze specjalnego uzwojenia transformatora sieciowego.

Wzmacniacz (U) — fazowy prąd przemienny.

Wykonawczy silnik rewersyjny (RD) jest dwufazowym silnikiem indukcyjnym z wbudowaną przekładnią.

Ryż. 2. Schemat urządzenia KSM4 w trybie jednokanałowego pomiaru temperatury.