Аналоговые вторичные измерительные приборы

5.2.1 Пирометрические милливольтметры

Простейшими аналоговыми приборами, предназначенными для измерения температуры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями, являются милливольтметры.

Принцип действия милливольтметров основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку прибора, с магнитным полем постоянного магнита. Схема прибора показана на рисунке 5.2а.

Рамка 1, помещенная в зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита 2 и стальным цилиндрическим сердечником 3, может поворачиваться в магнитном поле вокруг своей оси. К оси рамки прикреплены своими концами две спиральные пружины 4 и указательная стрелка 5. Ток к рамке подводится через пружины 4.

б)

а)

Рисунок 5.2 – Схема милливольтметра (а) и измерительная система с милливольтметром (б)

Взаимодействие магнитного потока рамки с потоком постоянного магнита создает вращающий момент М_вр, под действием которого рамка начинает поворачиваться

,

(5.5)

где n – число витков рамки;

l – длина продольной стороны рамки;

R – среднее расстояние от оси вращения рамки до проводников, лежащих на продольных сторонах;

В – магнитная индукция;

I – сила тока в рамке.

Поворот рамки приводит к закручиванию спиральных пружин, которые создают противодействующий момент, пропорциональный углу поворота:

,

(5.6)

где С – удельный противодействующий момент;

- угол поворота рамки.

Рамка будет поворачиваться до тех пор, пока не выполнится условие М_ВР=М_ПР; угол поворота рамки в этом положении будет пропорционален протекающему по ней току; его можно выразить из уравнений (5.5) и (5.6)

.

(5.7)

При работе с термоэлектрическим преобразователем ток в рамке милливольтметра создается за счет термо-ЭДС датчика (см. рисунок 5.2 б).

На величину тока помимо термо-ЭДС будет оказывать влияние сопротивление соединительных линий и самого датчика:

,

(5.8)

где - сопротивление датчика;

- сопротивление проводов;

- сопротивление милливольтметра;

- сопротивление подгоночной катушки;

- термо-ЭДС датчика.

Для того, чтобы уменьшить влияние сопротивления внешней цепи (проводов и датчика) на показания милливольтметра, с помощью специальной подгоночной катушки R_ПК его подгоняют до стандартного градуировочного значения R_Л=5 или 15 Ом. Величина этого сопротивления указывается на шкале прибора.

Выпускаемые промышленностью милливольтметры снабжаются выходными преобразователями для использования в системах сигнализации и автоматического регулирования.

5.2.2 Логометры

Логометры – это приборы магнитоэлектрической системы, применяемые в комплекте с термопреобразователями сопротивления для измерения температуры. Принцип действия логометра основан на измерении отношения токов в двух электрических цепях. В одну из цепей включен термопреобразователь сопротивления, а в другую – постоянное сопротивление. На рисунке 5.3 представлена схема магнитоэлектрического логометра, состоящего из двух рамок 1 и 2, жестко связанных друг с другом и со стрелкой 3 и помещенных в воздушный зазор между полюсными наконечниками 4 и 5 постоянного магнита 6 и сердечником 7. Этот зазор сделан неравномерным, и поэтому значение магнитной индукции В в разных точках будет различным.

Воздушный зазор уменьшается от центра а краям полюсных наконечников и соответственно от центра к краям возрастает магнитная индукция.

Рамки 1 и 2 включены в цепь источника питания G таким образом, что протекающие по ним токи I₁ и I₂ при взаимодействии с магнитным полем создают вращающие моменты М₁ и М₂, направленные навстречу друг другу.

Значение вращающего момента прямо пропорционально произведению тока рамки и магнитной индукции поля в том месте, где находится рамка

,

(5.9)

где k – коэффициент пропорциональности.

Рисунок 5.3 – Логометр

Подвижная система рамок со стрелкой будет находится в равновесии, когда моменты М₁ и М₂ равны между собой, т. е. kB₁I₁= kB₂I₂ или

.

(5.10)

В равенстве (5.10) отношение магнитных индукций В₂/В₁ зависит от положения рамок, т. е. однозначно определяется углом их поворота

.

(5.11)

Отношение токов I₁/I₂ зависит от суммарного сопротивления каждого из двух контуров, в которые включены рамки. Поскольку все сопротивления схемы, кроме R_t, постоянны, то отношение I₁/I₂ будет зависеть только от сопротивления термометра R_t, а, следовательно, от температуры t

.

(5.12)

Из равенств (5.10), (5.11) и (5.12) следует, что в состоянии покоя угол поворота рамок логометра и положение его стрелки относительно шкалы определяются величиной сопротивления R_t, а, значит, измеряемой температурой

,

(5.13)

при этом на показания прибора не влияет напряжение источника питания.

Если измеряемая температура, например, увеличится, то увеличится и сопротивление термометра R_t. Вследствие этого ток I₂ уменьшится, уменьшится созданный им момент, нарушится равновесие подвижной системы рамок. Система будет поворачиваться. При этом рамка 1, создающая больший момент М₁, перемещается в направлении увеличения воздушного зазора и уменьшения магнитной индукции, а рамка 2, наоборот, входит в область с меньшим зазором и большей магнитной индукцией. Момент М₁ будет уменьшаться, а М₂ возрастать, и при определенном угле поворота моменты снова сравняются, а система придет в состояние покоя. Стрелка покажет новое измеренное значение температуры.

Сопротивление соединительных проводов оказывает влияние на показания логометра так же, как и на показания милливольтметра.

Поэтому сопротивления соединительных линий должны быть подогнаны до стандартного значения, указанного на шкале прибора. Для уменьшения влияния соединительных линий применяется трехпроводная схема соединения логометра с термометром сопротивления.

5.2.3 Аналоговые регистрирующие приборы серии ДИСК-250

Приборы, показывающие и регистрирующие, ДИСК-250 предназначены для измерения и регистрации активного сопротивления, силы тока и напряжения постоянного тока, а также других неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы.

Приборы рассчитаны на работу со следующими входными сигналами:

- от термоэлектрических преобразователей с номинальными статическими характеристиками преобразования по ГОСТ Р8.585-2001;

- от термопреобразователей сопротивления с номинальными статическими характеристиками преобразования по ГОСТ 6651-94;

- от датчиков с унифицированными сигналами: 0…5 и 4…20 мА; 0…5 и 0…10 В.

Суммарное сопротивление линии связи и внутреннего сопротивления преобразователей термоэлектрических не должно превышать 200 Ом. Сопротивление каждого провода линии связи термопреобразователей сопротивления с приборами не должно превышать 5 Ом.

Приборы имеют следующие выходные устройства:

- устройство преобразования входных сигналов в выходной непрерывный электрический сигнал 0…5 или 4…20 мА по ГОСТ 26.011-80; сопротивление нагрузки не более 2 кОм;

- пропорционально-интегральное регулирующее устройство;

- регулирующее с бесконтактным, а для ДИСК-250 и контактным (релейным) выходом для формирования трехпозиционного закона регулирования с независимой установкой нижнего и верхнего пределов зоны регулирования;

- два двухпозиционных устройства сигнализации с релейным выходом.

В основу работы прибора положен принцип электромеханического следящего уравновешивания. Входной сигнал от датчика предварительно усиливается и лишь после этого производится уравновешивание его сигналом компенсирующего элемента (реохорда).

Принцип действия прибора поясняется схемой рисунка 5.4.Входной сигнал от датчика Д поступает во входное устройство ВхУ, где он нормализуется по нижнему пределу измерения для удобства его дальнейшей обработки. Кроме того, входное устройство содержит источник тока для питания термопреобразователей сопротивления или для питания медного резистора температурной компенсации изменения термо-э.д.с. холодных спаев термоэлектрических преобразователей.

Затем входной сигнал поступает на усилитель УВС с жесткой отрицательной обратной связью, где сигнал нормализуется по верхнему пределу измерения. Таким образом с выхода УВС снимается сигнал, нормализованный по нижнему и верхнему пределам измерений (при изменении входных сигналов от нижнего до верхнего пределов измерения выходной сигнал усилителя УВС в приборах изменяется в пределах от минус 0,5 до минус 8,5 В).

С предварительного усилителя ПУ УВС снимается сигнал, изменяющийся в пределах от 0 до плюс 4В при изменении входных сигналов от нижнего до верхнего пределов измерений. Сигнал с реохорда R_р, усиленный усилителем УР до уровня от плюс 0,5 до плюс 8,5 В, сравнивается на входе усилителя небаланса УН с сигналом УВС. Работа прибора происходит следующим образом.

При изменении значения измеряемого параметра на входе усилителя УН появляется сигнал небаланса, который усиливается этим усилителем и управляет работой реверсивного двигателя РД. Двигатель, в свою очередь, перемещает движок реохорда R_р до тех пор, пока сигнал с усилителя УР не станет равным (по абсолютной величине) сигналу с усилителя УВС. Таким образом, каждому значению измеряемого параметра соответствует определенное положение движка реохорда и связанных с ним указателя прибора (стрелки на шкале ШК) и пера записи показаний на диаграммном диске ДД.

Сопротивление обмотки реохорда для всех градуировочных характеристик и диапазонов измерений одинаково и составляет приблизительно 940 Ом±10%.

Рисунок 5.4 Структурная схема прибора Диск-250

Сигнал с усилителя УВС поступает на входы усилителей выходных устройств ВУ1…ВУ5:

-ВУ1 – устройство преобразования входного сигнала в выходной электрический унифицированный сигнал 0…5 или 4…20 ма;

-ВУ2 – трехпозиционное регулирующее устройство;

-ВУ3 – устройство сигнализации о выходе измеряемого параметра за нижний допустимый предел измерения;

-ВУ4 – устройство сигнализации о выходе измеряемого параметра за верхний допустимый предел изменения;

-ВУ5 – пропорционально-интегральное регулирующее устройство.

Питание всех функциональных узлов осуществляется от источника стабилизированного напряжения ИП.