Расчет измерительных схем и анализ динамических свойств электронных автоматических мостов и потенциометров

                                            Содержание

Задание на выполнение курсовой работы  ………..……………………… 3

              Исходные данные ……...…………………………………………………… 4

              Введение ……………………………………………………………………. 5

              Методика расчета измерительной схемы электронного

          автоматического моста …………………………….………………………. 8

              Список литературы ……………………………………………………….. 14

                   Задание на выполнение курсовой работы

1.   Описать методы измерения температуры, основанные на использовании термоэлектрических и резистивных преобразователей и автоматических потенциометров и мостов.

                            2. Выбрать наиболее подходящий тип первичного  измерительного преобразователя (ПИП) и соответствующую ему схему измерения.

                            3. Произвести расчет выбранной схемы измерения, используемой в электронных автоматических мостах и потенциометрах.

                            4. Построить градировочную характеристику шкалы измерительного устройства.

                            5.  Определить передаточные функции для схемы измерения по каналу измерения температуры и по каналу передвижения движка реохорда (канал обратной связи).

                            6.   Составить структурно-функциональную схему работы автоматического
потенциометра в зависимости от выбранного типа датчика и схемы измерения.

                                          Исходные данные

Согласно методических указаний, из табличных данных выбираем параметры необходимые для расчета мостовой схемы измерения.

- диапазон изменения температуры от 0 до З00 градусов Цельсия;

- в качестве датчика температуры выбран термометр сопротивления типа ТСМ 23 градуировки;

- стандартная градировочная шкала для электронного автоматического моста типа КСМ4 выбрана от 0°С до 300°С при работе его с термометром сопротивления типа ТСМ (23 градуировки);

- параметры настройки измерительной схемы моста при использовании стандартной шкалы (от 0°С до 300°С) имеют следующие значения:

Rл = 2,5 Ом;

Рд = 4,З Ом;

R2 = R3 = 300 Ом;

RБ = 450 Ом;

RП = 23,6 Ом;

Rрш = 90 Ом;

Rnр = 18,7 Oм;

R1 = 76 Om;  Rtmax = 78,6 Ом;

Rtmin =  53 Ом;

Uо = 6,3 В

Необходимо пересчитать параметры настройки измерительной схемы моста, которые обеспечивали бы изменение положения показателя шкалы в пределах всей шкалы при заданном диапазоне изменения температуры от 0° до 300°С.

                                      Введение

                      Термоэлектрические термометры

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на использовании термоэлектрического эффекта, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных   проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения этих проводников имеют разную температуру.

На рисунке 1 представлены два разных проводника из однородного материала, концы, которых соединены и имеют разную температуру: t и t0. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. На конце с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. В месте соприкосновения проводников возникает электрическое поле, препятствующее диффузии. Когда скорость диффузии электронов становится равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов, т.е. термо-ЭДС, зависящая так же от температуры мест соединения проводников 1 и 2.

В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникает четыре ЭДС. Две возникают в местах соединения проводников, (они будут различны, так как различны температуры, т.е. t Ф t0). Кроме того, в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов. Таким образом, термо-ЭДС, термоэлектрического термометра равна разности контактных термо-ЭДС, возникающих на концах проводников. Значение и знак контактной термо-ЭДС зависят от природы металлов А и В, и температуры мест из соприкосновения.

Принцип действия электронных термометров сопротивления основан, на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей их среды.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры), а полупроводников - отрицательный (сопротивление уменьшается при увеличении температуры). Это объясняется различием в их молекулярном строении. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов вокруг своих положений равновесия. Число носителей тока - электронов про водим ости очень велико и не зависит от температуры. У полупроводников с увеличением температуры резко возрастает число электронов проводимости (носителей тока), поэтому электрическое сопротивление резко уменьшается.

Измерение температуры с помощью электрических термометров сопротивления сводится к измерению активного сопротивления термометра, что обычно осуществляется измерением тока в цепи. Измерительная схема состоит из трех элементов: термометра сопротивления, электроизмерительного прибора для тока и источника питания.

Для измерения термо-ЭДС существуют различные автоматические схемы. Рассмотрим их достоинства и недостатки.

                  Автоматические потенциометры и мосты

Автоматические мосты. Мосты с автоматизированным процессом уравновешивания называются автоматическими мостами; они находят широкое применение для непрерывных показаний и регистрации измеряемых величин. Автоматические мосты с дополнительным регулирующим устройством применяются для автоматического управления производственными процессами. В настоящее время широко распространены автоматические мосты для измерения, регистрации и регулирования температуры различных объектов. В качестве измерительного преобразователя температуры в электрическое сопротивление в этих мостах применяются термометры сопротивления.

В автоматических потенциометрах используется компенсационная мостовая измерительная схема. Напряжение, компенсирующее измеряемую термо-ЭДС термоэлектрического термометра - термопары, в этой измерительной схеме получается как разность потенциалов в двух точках. Потенциал одной из этих точек определяется положением движка реохорда, а потенциал другой зависит от температуры свободных концов термометра. Это дает возможность осуществлять автоматическое введение поправки на изменение термо-ЭДС термопары, вызванное отклонением температуры свободных концов ее от 0° С.

Для измерения потенциометром постоянного тока ЭДС Ех необходимо уста­новить рабочий ток и подобрать такие значения сопротивлений на декадах потенциометра, при которых гальванометр отметит отсутствие тока, т. е. осуществить компенсацию Ех. Процессы установки рабочего тока и компенсации Ех могут быть автоматизированы, что упрощает пользование прибором, ускоряет процесс измерения Ех и, позволяет непрерывно регистрировать значение

измеряемой величины. Потенциометры постоянного тока, у которых установка рабочего тока и процесс компенсации Ех производятся автоматически, называются автоматическими потенциометрами постоянного тока.

Автоматические потенциометры применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в напряжение или ЭДС постоянного тока.

Процесс уравновешивания в автоматических потенциометрах может осуществляться как непрерывно (потенциометры со следящей системой уравновешивания), так и периодически (потенциометры с развертывающим уравновешиванием или динамической компенсацией). Чаще всего применяются потенциометры с непрерывным уравновешиванием. Они в свою очередь могут быть разделены на две группы: потенциометры с полным уравновешиванием, или с астатической характеристикой, и потенциометры с неполным уравновеши­ванием, или со статической характеристикой.

В настоящее время выпускаются автоматические потенциометры с полным уравновешиванием различных типов и форм записи. Запись измеряемой величины производится на дисковой диаграмме или на диаграммной ленте.

Автоматические потенциометры переменного тока. Автоматические потенциометры переменного тока в работе значительно удобнее потенциометров с ручным уравновешиванием, и область их применения более широкая, так как они позволяют производить непрерывные точные измерения Ux. Автоматические потенциометры, как и ручные, могут быть полярно-координатными и прямоугольно-координатными.

                      Методика расчета измерительной схемы  

                            электронного автоматического моста

Термометр сопротивления (его сопротивление Rt) включается в измерительную мостовую схему автоматического уравновешенного моста по трехпроводной схеме включения (см. рис.1). Это делается для того, чтобы можно было компенсировать влияние изменения сопротивления соединительных проводов на точность измерения температуры теплового объекта при отклонениях температуры окружающей соединительные провода среды. В измерительную схему моста кроме сопротивления Rt входят:

Rji - сопротивление соединительных проводов и подгоночных катушек равное обычно для одной линии - 2,5 Ом;

Rд - сопротивление, определяющее начало шкалы (имеющее подгоночное сопротивление в виде спирали гд, являющееся частью сопротивления RД), его выбирают согласно паспортным данным электронных автоматических мостов равным 3,7-5,5 Ом;

Rl, R2, R3 - расчетные резистивные сопротивления;

RБ - балластное сопротивление в цепи источника питания, которое служит для ограничения тока в плечах измерительной схемы;

В схеме измерения имеется также реохорд, который с помощью своего подвижного контакта, связанного с ротором реверсивного двигателя, делится на две части, одна из которых R1p относится к левой части реохорда, а другая R2p -к правой его части. Вместе обе части реохорда составляют его полное сопротивление Rp = R1p + R2p. Параллельно реохорду включаются два резистивных сопротивления — сопротивление шунта Rш и сопротивление Rп, оп­ределяющее верхний предел изменения сопротивления датчика температуры (или шкалы прибора). Эквивалентное сопротивление для двух указанных со­противлений будем обозначать Rшп. Оно будет равно:

Rшп = Rш · Rп / (Rш+Rn). Совместно сопротивления Rшп, R1p и R2p оказываются включенными по отношению к внешним выводам по схеме треугольника.

Для расчета режимов измерения работы мостовой схемы такое включение указанных трех сопротивлений является неудобным. Поэтому целесообразно от реальной схемы включения этих сопротивлений перейти к эквивалентной расчетной схеме их включения «звездой», в которой будут фигурировать сопротивления: с левой стороны Rlпp, с правой стороны R2пp и в ветви, относящейся к сопротивлению измерительной диагонали моста (до­полнительному сопротивлению нагрузки), Rнd