Г Л А В А I I I

НЕКОТОРЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Выходная величина датчиков бывает обычно либо электрической, либо определяется изменением давления воздуха или жидкости. В последнем случае измерительным прибором является манометр.

У большого количества датчиков выходная величина является электри­ ческой. При этом не всегда возможно измерить эту величину непосредст­ венно прибором. В этом случае приходится перед измерением преобразо­ вывать выходную величину датчика в другой вид электрической величины, удобный для измерения. Например, выходной величиной термометра со­ противления является электрическое сопротивление. Для измерения этого сопротивления применяется мостовая схема, где одним плечом является датчик (термометр сопротивления).

При этом изменение сопротивления преобразуется в изменение напря­ жения измерительной диагонали схемы. Измерительная схема служит, следовательно, для преобразования выходной величины датчика в другую электрическую величину, удобную для измерения.

Для измерения переменного сопротивления применяют мостовые схемы, для измерения индуктивностей — дифференциальные схемы, емкости из­ меряют мостовой схемой, резонансной и схемой на биениях, применяется много различных измерительных схем.

Ниже рассмотрены наиболее распространенные измерительные при­ боры и схемы, которые используются в автоматических устройствах, при­ меняемых в промышленности и представляющие собой:

1. Мостовые измерительные схемы постоянного и переменного тока.

2. Дифференциальные измерительные схемы. 3. Компенсационные измери­ тельные схемы. Схема прибора может включать в себя одновременно все указанные виды измерительных схем.

Выходной величиной измерительной схемы является обычно ток или напряжение. Поэтому основными измерителями являются приборы, из­ меряющие эти величины.

В подавляющем большинстве случаев в качестве измерителей приме­ няются магнитоэлектрические приборы — милливольтметр или логометр. Милливольтметр применяется в случаях использования генераторных дат­ чиков, т. е. датчиков, у которых выходной величиной является э. д. с., а

от величины напряжения источника, питающего схему, применяются логометры.

Из вышеизложенного видно, что измерительная схема по существу яв­ ляется преобразователем и, следовательно, характеризуется своей чув­ ствительностью.

Чувствительностью измерительной схемы, так же как и чувствитель­ ностью датчика, является производная выходной величины по входной.

Так как датчик соединяется обычно непосредственно с измерительной схемой, то приходится рассматривать общую чувствительность датчика и схемы. Обозначив через хвх и хвых входные и выходные величины датчика и через увх и увых входные и выходные величины измерительной схемы и учитывая, что выходная величина датчика является входной величиной схемы, можем написать выражение для общей чувствительности

у§ 2. МОСТОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Мостовые измерительные схемы применяются для измерения сопро­ тивления, индуктивности, емкости угла потерь и частоты. Так как датчики, измеряющие неэлектрические величины, имеют часто в виде выходной

Нулевой метод заключается в том, что мост уравновешивают, т. е. до­

Такой метод измерения достаточно точен (ошибка может быть меньше 0,5%). Мосты подобного типа называются равновесными или балансными, они основаны на нулевом методе измерения.

При методе непосредственного отсчета измеряемая величина опреде­ ляется по показанию прибора, включенного в измерительную диагональ.

Зависимость между сопротивлениями плеч, напряжением и током при­ бора может быть определена из эквивалентной схемы. Эквивалентную схему легко составить, пользуясь методом эквивалентного генератора, который излагается в общем курсе электротехники.

Согласно этому методу, всякую линейную электрическую цепь для опре­ деления тока в любой ее ветви г можно заменить генератором, э. д. с. ко­ торого равна напряжению на ветви z, когда ток в ней равен нулю, а внутрен-

нее сопротивление равно сопротивлению остальной части цепи (относи­ тельно ветви г) при условии, что все участки, на которых есть э. д. с., замк­ нуты накоротко.

В нашем случае для определения тока прибора / пр эквивалентная схе­ ма будет иметь вид рис. 3.2. Напряжение генератора 0 ХХ, равное напряже­ нию измерительной диагонали, когда ток в ней будет равен нулю, равно

Uхх = U — ^ ------- U — ^ — .

R1+ R2 Rz + Ri

Внутреннее сопротивление генератора, равное сопротивлению моста

Отсюда ток прибора

ТUXX

Пр /э + Япр

и после подстановки значений Ихх и г , и преобразований получаем

j _ ц ___________________ RiRi—RaRz___________________

пр R np(Ri + R2)(R3+ R*) + RiR2{R3+ Ri) + R 3Ri{Ri + R2)

Это — общее выражение тока измерительного прибора мостовой схемы. Частный случай равновесного моста, рассмотренный нами выше, по­ лучаем при условии равенства RiRt = R 3Rz. Из формулы, определяющей ток измерительного прибора, видно, что этот ток зависит от напряжения источника питания. Поэтому, для получения качественных измерений либо должны быть приняты меры, обеспечивающие постоянство напряжения, либо в качестве измерительного прибора нужно пользоваться логометром.

Обычно мостовые схемы делают симметричными, а именно — сопротив­ ления Ri = R 2 и К з = R*- При этом плечи R 3 и /?4 делают минимальными. Величина гэ берется приблизительно равной сопротивлению измеритель­

Как видно, условие равновесия в данном случае наступает при

зхз4 = з2з3 и Фх + ф4 = Фг + Фз-

Условие равновесия моста переменного тока может быть таким же, как и моста постоянного тока, если = х2 = х 3 = х4 = 0, т. е. если есть только одни активные сопротивления.

§ 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Дифференциальной измерительной схемой называется электрическая цепь, состоящая из двух смежных контуров (рис. 3.5). В каждом контуре действует своя электродвижущая сила. Из­ мерительный прибор включен в ветвь, общую для двух контуров.

Такая схема удобна в случае использо­ вания индуктивных датчиков. В этом случае zx и z2 являются сопротивлениями этих дат­ чиков. Дифференциальная схема проще мостовой и в некоторых случаях имеет более высокую чувствительность.

Измерительный прибор, включенный в общую ветвь, показывает разность контурных токов. Разность токов появляется в резуль­ тате изменения одной или обеих э. д. с., или в результате изменения одного или обоих

сопротивлений. Наиболее часто датчиками являются сопротивления. Из рис. 3.5 нетрудно видеть, что чувствительность схемы возрастает при ис­ пользовании дифференциального индуктивного датчика. Если Zt и г2 яв­ ляются сопротивлениями дифференциального индуктивного датчика, то увеличение тока прибора будет проходить под действием обоих контурных токов, что увеличивает чувствительность.

Разновидностью дифференциальной схемы является схема с выходным трансформатором. В этой схеме прибор измеряет разность контурных токов не непосредственно, а через трансформатор. Дифференциальный трансформатор имеет симметричную первичную обмотку с выведенной нулевой точкой. При равенстве токов 1± и / 2, направленных встречно, ре­ зультирующий магнитный поток трансформатора равен нулю. При изме­ нении сопротивлений Zi и z2 будут меняться токи / 4 и / 2. Магнитный поток (если нет насыщения) будет пропорционален разности этих токов.

§ 4. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

При компенсационном методе измерения измеряемую величину уравно­ вешивают однородной величиной обратного знака. Положительной особен­

поТголожению рукояток реостатов. При условии, что ток / раб имеет строго определенное значение, а реостаты сделаны из калиброванной проволоки, единице длины реостата соответствует определенная величина падения на­ пряжения и шкалы рукояток могут быть проградуированы непосредственно в милливольтах.

Рабочий ток / раб создается батареей Я. Так как э. д. с. батареи с тече­ нием времени изменяется, то последовательно с батареей включено пере­ менное сопротивление.

Для контроля рабочего тока потенциометр. имеет нормальный элемент НЭ. Нормальный элемент является гальваническим элементом, у которого положительным электродом служит ртуть, а отрицательным амальгама кадмия. Каждый электрод покрывается слоем деполяризатора. Электро­ литом является насыщенный раствор сернокислого кадмия. Э.д. с. элемента составляет 1,0186 в и почти не изменяется. При нормальной эксплуатации

э. д. с. нормального элемента не должна измениться больше чем на 500 мкв в течение года.

При контроле величины рабочего тока переключатели Я t и Я 2 устанав­ ливаются в положение «контроль» и замыкается переключатель Я 3. В ре­ зультате этого образуется замкнутый контур, состоящий из Н Э, R u Ян.э ,

рабочим током. Ток в этом контуре будет равен нулю, когда Ян.э • /раб = = Е н,э , т. е. когда рабочий ток будет иметь одно определенное значение, а именно

г__ Е Н.э

Если рабочий ток не равен заданной величине (при этом стрелка нульприбора не стоит на нуле), то при помощи переменного сопротивления R можно придать рабочему току требуемое значение.