Автоматический компенсатор напряжения
Автоматический компенсатор предназначен для измерения и регистрации на бумажном носителе сигналов от измерительных систем и датчиков, оснащенных выходом по напряжению постоянного тока.
Принципиальная схема прибора представлена на рис.2. Номера позиций основных узлов и блоков на принципиальной схеме совпадают с номерами элементов структурной схемы автоматического компенсатора напряжений, приведенной в задании №2.
Измеряемое напряжение Х подается на сигнальный вход схемы сравнения 1 и далее по цепи на вход усилителя мощности 2. В усилителе формируется управляющее напряжение, которое приводит в движение электродвигатель 3, причем частота вращения ротора и направление вращения соответственно зависят от уровня и полярности напряжения входного сигналаХ. Вращение электродвигателя через зубчатый редуктор 4 передается на механизм перемещения пера записывающего устройства 5. Этот механизм выполнен на основе передачи с гибкой связью, в которой применяется стальной тросик, установленный на шкивах. К одной из ветвей гибкой связи закреплен узел пера записывающего устройства, который перемещается по прямолинейной направляющей, расположенной перпендикулярно направлению движения диаграммной бумаги. Узел пера оснащен датчиком перемещения (положения) 7 на основе реохорда, установленного параллельно траектории движения узла пера и скользящей по реохорду контактной щетки. Реохордный преобразователь включен в цепь обратной связи по положению узла пера. По изменению сопротивления в плечах реохорда в блоке сравнения 1 формируется компенсирующее напряжение (равное по значению и противоположенное по знаку входному сигналу Х), которое уравновешивает систему. При этом сигнал на выходе схемы сравнения и управляющее воздействие усилителя мощности на двигатель стремятся к нулю. Двигатель останавливается, узел пера занимает положение на диаграмме, соответствующее измеренному сигналу Х.
Для уменьшения погрешностей, вызываемых несовершенством динамических характеристик электродвигателя, инерционностью элементов механической системы при реверсивном режиме работы, действия сил трения в автоматическом компенсаторе напряжения применяется еще одна цепь обратной связи 6. К валу электродвигателя присоединен тахогенератор 6, вырабатывающий переменное напряжение, пропорциональное частоте вращения вала. Это напряжение подается в схему сравнения и служит для формирования дополнительного воздействия, учитывающего особенности работы электродвигателя в режимах разгона и замедления.
На таком принципе действия построены широко распространенные системы КСП-4, КСТ и т.п., которые применяются для регистрации различных физических величин (сил, температур, давлений, деформаций и т.п.). Широкий диапазон выбора скорости движения диаграммы (от десятков миллиметров в час до сотен миллиметров в минуту) позволяет применять эти системы для регистрации медленных и быстропротекающих процессов.
Таблица 1
Варианты задания №1
| №№ вариантов | Схема преобразователя | Расчетная функция преобразования (РФП) | Номинальная функция преобразования (НФП) или ее параметры | Прочие данные | Метод приближения | Искомые величины |
Мостовая схема  R2, R3, R4 – сопротивления пассивных плеч моста, RX – измеряемое сопротивление, Е – напряжение питания моста, U – выходное напряжение |  | DR= 1000 Ом; К= 0,0005 В/Ом , RX0= R0, dx=1% | равномерное приближение | R0 , E, выражение для НФП | ||
| DR= 500 Ом; К= 0,002 В/Ом , RX0= R0, dx=2% | приближение в среднем квадратическом | R0 , E, выражение для НФП |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Схема делителя  R0 – постоянное сопротивление, RX – измеряемое сопротивление, Е – напряжение питания моста, U – выходное напряжение. |  | DR= 2000 Ом; К= 0,001 В/Ом , RX0= 4000 Ом dx=5% | приближение в среднем квадратическом | R0 , E, выражение для НФП | |||
| DR= 1000 Ом; К= 0,002 В/Ом , RX0= 2000 Ом dx=4% | равномерное приближение | R0 , E, выражение для НФП | |||||
Схема делителя  R0 – постоянное сопротивление, RX – измеряемое сопротивление, Е – напряжение питания моста, U – выходное напряжение. |  | DR= 2000 Ом; К= 0,0005 В/Ом , RX0= 5000 Ом dx=5% | приближение в среднем квадратическом | R0 , E, выражение для НФП | |||
| DR= 1000 Ом; К= 0,001 В/Ом , RX0= 10000 Ом dx=2% | равномерное приближение | R0 , E, выражение для НФП |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
 | Емкостной преобразователь  1- неподвижная пластина, 2- подвижная пластина, 3- измерительный шток |  C - емкость между пластинами преобразователя, S - площадь пластин, d – диаметр пластин, а - расстояние между пластинами при положении штока в середине диапазона измерения ε0 - диэлектрическая постоянная | Dх = 0,05 мм; К= 400 пФ/мм , Х0= 0 мм d x=5% |  | приближение в среднем квадратическом | a, d, выражение для НФП | ||
| Dх = 0,04 мм; К= 600 пФ/мм , Х0= 0 мм d x=4% | | равномерное приближение | a, d, выражение для НФП | |||||
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Ёмкостной преобразователь  1-неподвижный цилиндрический электрод 2-подвижный цилиндрический электрод 3- измерительный шток |  С – емкость между коаксиальными цилиндрическими электродами преобразователя, ХС – емкостное сопротивление, f – частота напряжения питания, d – диаметры цилиндров (приблизительно одинаковые), L – длина перекрытия цилиндрических электродов в середине диапазона измерения, Δ– диаметральный зазор между цилиндрическими электродами | Dх = 2 мм; К= 4000 Ом/мм , Х0= 0 мм d x=4% | d = 15 мм, f = 20 кГц | равномерное приближение | L, Δ, выражение для НФП | |||
| Dх = 3 мм; К= 2000 Ом/мм , Х0= 0 мм d x=5% | d = 15 мм, f = 20 кГц | приближение в среднем квадратическом | L, Δ, выражение для НФП | |||||
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Индуктивный преобразователь  1 – катушка индуктивности, 2 – магнитопровод, 3 – якорь, 4 – измерительный шток. |  где: L – индуктивность катушки, w – число витков, l – средняя длина силовых линий в магнитопроводе (пунктир на рисунке), S – площадь сечения магнитопровода, μ0 – магнитная постоянная, μст – магнитная проводимость материала магнитопровода, x – длина воздушного зазора (измеряемое перемещение). | K=0,04 Г/мм DХ =0,4 мм х0 =0,3 мм δх=5% | μ0=4π.10 -10 Гн/мм μст =70 S=50 мм 2 | приближение в среднем квадратическом | l, w, выражение для НФП | |
| K=0,02 Г/мм DХ =0,5 мм х0 =0,5 мм δх=7,5% | μ0=4π.10 -10 Гн/мм μст =50 S=60 мм 2 | равномерное приближение | l, w, выражение для НФП | |||
| Lн =0,4 - 0,4х, где х – в мм, Lн – в Г DХ =0,4 мм δх=7,5% | μ0=4π.10 -10 Гн/мм μст =100 S=50 мм 2 | равномерное приближение | l, w, х0 | |||
| Lн =0,15 - 0,1х, где х – в мм, Lн – в Г DХ =0,4 мм δх=5% | μ0=4π.10 -10 Гн/мм μст =100 S=50 мм 2 | приближение в среднем квадратическом | l, w, х0 |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Пневматический преобразователь  1 – измерительное сопло, 2 – входное сопло, 3 – измерительный шток. |  где: P0 – давление питания, P – выходное давление, μ1, μ2 – коэффициенты истечения для входного и измерительного сопел, F2=πd2x – площадь истечения воздуха из измерительного сопла, F1=πd12/4 – площадь истечения из входного сопла, d1, d2 – диаметры входного и измерительного сопел, x – длина зазора (измеряемое перемещение). | K=10 кПа/мм DХ =0,1 мм х0 =0,1 мм |  d2=2,0 мм | приближение в среднем квадратическом | P0, d1, δx | |
| K=20 кПа/мм DХ =0,05 мм х0 =0,06 мм | d2=1,5 мм | равномерное приближение | P0, d1, δx | |||
| K=100 кПа/мм DХ =0,06 мм δх =0,01 |  d2=1,5 мм | равномерное приближение | P0, d1, x0 | |||
| K=50 кПа/мм DХ =0,08 мм δх =0,02 |  d2=2,0 мм | приближение в среднем квадратическом | P0, d1, x0 |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Трансформаторный преобразователь  1 – магнитопровод, 2 – якорь, 3 – измерительный шток, 4 – первичная обмотка, 5 – вторичная обмотка. |  где: M – взаимная индуктивность обмоток, w1 и w2 – числа витков обмоток, l – средняя длина силовых линий в магнитопроводе (пунктир на рисунке), S – площадь сечения магнитопровода, μ0 – магнитная постоянная, μст – магнитная проводимость материала магнитопровода, x – длина воздушного зазора (измеряемое перемещение). | K=0,1 Гн/мм DХ =0,4 мм х0 =0,5 мм δх=0,05 | μ0=4π.10-10 Гн/мм μст =100 S=50 мм 2 w1=2000 витков | равномерное приближение | l, w2 | |
| Mн =0,1 - 0,2х, где х – в мм, Mн – в Гн, DХ =0,2 мм δх=0,1 | μ0=4π.10-10 Гн/мм μст =2000 S=25 мм 2 | приближение в среднем квадратическом | l, w1, w2, х0 |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Дифференциально-трансформаторный преобразователь  1, 1' – магнитопроводы, 2 – якорь, 3, 3' – первичные обмотки, 4, 4' – вторичные обмотки, 1 – .измерительный шток |  где: ΔM – разность взаимных индуктивностей 3, 4 и 3', 4', w3, w4 – числа витков обмоток, l1, l2 – средняя длина силовых линий в магнитопроводах (обозначены пунктиром на рисунке), S – площадь сечения магнитопровода и якоря, μ0 – магнитная постоянная, μст – магнитная проводимость материала магнитопровода, x – длина воздушного зазора (измеряемое перемещение). х0 – длина начального зазора между сердечниками и якорем в середине диапазона измерения | ΔM=0,2 x, (x – в мм, ΔM – в Гн), DХ =0,4 мм, х0 =0,3 мм, δx=1% | μ0=4π.10-10 Гн/мм, μст =150, S=50 мм2 | равномерное приближение | l, w3=w3'=w4=w4' | |
| ΔM=0,5 x, (x – в мм, ΔM – в Гн), DХ =0,8 мм, х0 =0,7 мм, δx=2% | μ0=4p.10-10 Гн/мм, μст =200, S=50 мм2 | приближение в среднем квадратическом | l, w3=w3'=w4=w4' |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Дифференциальный емкостной преобразователь  1, 1' – неподвижные пластины, 2 – подвижная пластина, 3 – .измерительный шток | ΔС= С1 - С2=  C1, С2 – емкости между пластинами 1, 2 и 1', 2¢, ε0 – диэлектрическая постоянная, S1, S2 – площади пластин диаметром d, х0 – начальный зазор между пластинами в середине диапазона измерения. |  DХ =0,1 мм, δx=1% |  | приближение в среднем квадратическом | х 0, S, d | |
| ΔСн=500х, (х в мм, ΔСн в пФ) DХ =0,2 мм, δx=2% | | равномерное приближение | х 0, S, d |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Дифференциальный емкостной преобразователь  1, 1' – неподвижные электроды, 2 – подвижный электрод, 3 – .измерительный шток |  ХС – емкостные сопротивления, C1, С2 – емкости между коаксиальными цилиндрическими электродами 1, 2 и 1¢', 2¢, ε0 – диэлектрическая постоянная, f – частота напряжения питания, d – диаметры цилиндрических электродов, L – длина перекрытия электродов в середине диапазона измерения, Δ – диаметральный зазор между электродами. | К=10000 Ом·мм-1, DХ =4 мм, δx=1% | d=20 мм f=20 кГц | равномерное приближение | L, Δ | |
| К=5000 Ом·мм-1, DХ =2 мм, δx=0,5 % | d=15 мм f=20 кГц | приближение в среднем квадратическом | L, Δ |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
Дифференциальный пневматический преобразователь  1, 1' – измерительные сопла, 2, 2' – входные сопла, 3 – .измерительный шток |  P0 – давление питания, P1, P2 – измерительные давления, μ1, μ2 – коэффициенты истечения, F2=πd2z – площадь истечения из измерительного сопла 1, F2'=πd2'z – площадь истечения из сопла 1', F1=0,25πd12 – площадь истечения воздуха из сопел 2 и 2', d2=d2', d1 – диаметры сопел 2, 2' и 1, 1' z0 – начальный зазор между торцами сопел и заслонкой в середине диапазона измерения. | ΔPн=40 x, (х – в мм, ΔP – в кПа,) DХ =0,06 мм, х0=0,08 мм, δx=2 % | d2=2 мм,  | приближение в среднем квадратическом | P0, d1 | |
| K=20 кПа·мм-1, DХ =0,1 мм, х0=0,1 мм, δx=1 % | d2=1,5 мм, | равномерное приближение | P0, d1 |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
| 4 | 5 | 6 | 7 | |||
Струнный преобразователь  струна сечением b·h преобразует растягивающее усилие F в частоту f собственных свободных колебаний |  где m – масса струны, l –длина струны, f – частота собственных свободных колебаний струны. | K=200 Гц·Н -1, DХ =1 Н, δх =0,02 | ρ=8,5 г·мм-3 – плотность материала струны, l=40 мм, b=10h | равномерное приближение | F0, h, b, выражение для НФП | |
| K=100 Гц·Н -1, DХ =5 Н, δх =2 % | ρ=8,5 г·мм-3 – плотность материала струны, l=40 мм, b=10h | приближение в среднем квадратическом | F0, h, b, выражение для НФП | |||
Дифференциальный струнный преобразователь  1, 2 – струны сечением b·h преобразуют силу F в частоты их собственных свободных колебаний |  где F0 – начальное натяжение струн; F- измеряемая сила; m- массы струн; l –длина струн; f1, f2 – частоты собственных колебаний струн; | K=400 Гц·Н -1 DХ =1 Н, δх =0,1% | ρ=8,5 г·мм-3 – плотность материала струны, l=40 мм, b=10h | приближение в среднем квадратическом | F0, h, b, выражение для НФП | |
| K=200 Гц·Н -1 DХ =5Н, δх =0,2% | ρ=8,5 г·мм-3 – плотность материала струны, l=40 мм, b=10h | равномерное приближение | F0, h, b, выражение для НФП |
Таблица 1
(продолжение)
Варианты задания №1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Емкостной преобразователь в колебательном контуре  С – емкость емкостного преобразователя, зависящая от измеряемого перемещения, L – индуктивность катушки. |  где f – частота собственных колебаний контура. | fН = 70 – 0,1 C, (С–в пФ, fН – в кГц ), δx = 5%, DX = 200 пФ. | равномерное приближение | C0 , L | ||
| KX=200 Гц/пФ, DX = 400 пФ, δx = 0,02 | приближение в среднем квадратическом | C0 , L, выражение для НФП |
Таблица 2
Дополнительные данные к вариантам задания №1
| №№ | Внутренний параметр | Верхнее отклонение | Нижнее отклонение | Распределение |
| Сопротивление резисторов | +5 Ом +5 Ом +5 Ом | -5 Ом -5 Ом -5 Ом | Равномерное Равномерное Равномерное | |
| Сопротивление резисторов | +10 Ом +10 Ом +10 Ом | -10 Ом -10 Ом -10 Ом | Треугольное Треугольное Треугольное | |
| Сопротивление резистора Напряжение питания | +60 Ом +100 мВ | -60 Ом -100 мВ | нормальное, Р=95% равномерное | |
| Сопротивление резистора Напряжение питания | +30 Ом +0,07 В | -30 Ом -0,07 В | нормальное, Р=95% равномерное | |
| Сопротивление резистора Напряжение питания | +25 Ом +0,05 В | -25 Ом -0,05 В | нормальное, Р=99% нормальное, Р-99% | |
| Сопротивление резистора Напряжение питания | +30 Ом +0,07 В | -30 Ом -0,07 В | Равномерное Равномерное | |
| Диаметр пластин Начальное расстояние | +0,001 мм | -0,15 мм -0,001 мм | нормальное, Р=99,9% равномерное | |
| Диаметр пластин Начальное расстояние | +0,5 мкм | -0,1 мм -0,5 мкм | нормальное, Р=99,9% нормальное, Р=90% | |
| Диаметр сопряжения Зазор в сопряжении | +0,1 мм +0,1 мкм | -0,1 мм -0,1 мкм | нормальное, Р=95% равномерное | |
| Диаметр сопряжения Частота | +0,12 мм +150 Гц | -0,12 мм | Равномерное нормальное, Р=95% | |
| Число витков Длина магнитопровода | +6,0 | -6,0 -1 мм | Равномерное Равномерное | |
| Число витков Длина магнитопровода | +10,0 | -10,0 -2 мм | нормальное, Р-99% нормальное, Р-99% | |
| Число витков Магнитная проницаемость | +8,0 +5,0 | -8,0 -5,0 | Равномерное Равномерное | |
| Площадь сечения Магнитная проницаемость | +2 | -1,0 мм2 -2 | Треугольное Равномерное | |
| Давление питания Диаметр сопла | -20 Па -0,02 мм | Равномерное нормальное, Р=95% | ||
| Давление питания Диаметр сопла | +10 Па | -10 Па -0,005 мм | Равномерное нормальное, Р=99% | |
| Диаметр сопла Диаметр сопла | -0,005 мм -0,002 мм | нормальное, Р=95% нормальное, Р=95% | ||
| Давление питания Середина диапазона | +100 Па +0,01 мм | -0,01 мм | равномерное треугольное | |
| Число витков Длина магнитопровода | +20 | -20 -2,0 мм | нормальное, Р=99,99% нормальное, Р=99,99% | |
| Число витков Длина магнитопровода | +30 | -30 -0,2 мм | равномерное нормальное, Р=95% | |
| Число витков Число витков | +10 +10 | -10 -10 | равномерное равномерное |
Таблица 2
(продолжение)
Дополнительные данные к вариантам задания №1
| №№ | Внутренний параметр | Верхнее отклонение | Нижнее отклонение | Распределение |
| Длина магнитопровода Длина магнитопровода | -0,5 мм -0,5 мм | треугольное треугольное | ||
| Диаметр пластины Диаметр пластины | -0,1 мм -0,1 мм | нормальное, Р=99% нормальное, Р=99% | ||
| Начальный зазор Начальный зазор | +0,001 мм +0,001 мм | -0,001 мм -0,001 мм | нормальное, Р=0,95 нормальное, Р=0,95 | |
| Длина перекрытия Длина перекрытия | +0,05 мм +0,05 мм | -0,05 мм -0,05 мм | нормальное, Р=0,9973 нормальное, Р=0,9973 | |
| Частота питания Зазор | +10 Гц +0,0005 мм | -10 Гц -0,0005 мм | равномерное нормальное, Р=0,95 | |
| Давление питания Диаметр сопла | +0,08 кПа +0,002 мм | -0,08 кПа | нормальное, Р=0,99 нормальное, Р=0,95 | |
| Диаметр сопла Диаметр сопла | +0,002 мм +0,002 мм | равномерное равномерное | ||
| Ширина струны Толщина струны | +0,01 мм | -0,01 мм -0,001 мм | треугольное треугольное | |
| Длина струны Плотность материала струны | +0,1 мм +0,02 г·см-3 | -0,1 мм -0,02 г·см-3 | нормальное, Р=0,95 нормальное, Р=0,95 | |
| Длина струны Длина струны | +0,2 мм +0,2 мм | -0,2 мм -0,2 мм | равномерное равномерное | |
| Толщина струны Толщина струны | -0,0005 мм -0,0005 мм | нормальное, Р=0,99 нормальное, Р=0,99 | ||
| Начальная ёмкость Индуктивность | +25 пФ +0,008 Гн | -25 пФ -0,008 Гн | треугольное равномерное | |
| Начальная ёмкость Индуктивность | +50 пФ +0,1 мГн | -50 пФ -0,1 мГн | нормальное, Р=95% равномерное |
Таблица 3
Данные к вариантам задания 2.