В измерительной технике для повышения точности часто применяют метод, в основе которого лежит сравнение значения измеряемой величины со значением величины, воспроизводимой специальной мерой. В этом случае измеряется разностный (дифференциальный) сигнал, а так как мера обычно обладает малой погрешностью, то обеспечивается высокая точность измерения.
Именно этот метод и лежит в основе работы измерительных мостов и потенциометров.
Обычно величину, воспроизводимую мерой, делают регулируемой и в процессе измерения устанавливают ее значение точно равным значению измеряемой величины.
В измерительных мостах в качестве такой меры применяются сопротивления - реохорды, с помощью которых уравновешивается сопротивление термопреобразователя, изменяющееся при изменении температуры объекта.
В потенциометрах в качестве меры применяют обычно источники стабильного напряжения с регулируемым выходом В ходе измерений с помощью напряжения такого источника компенсируется ЭДС, генерируемая датчиком. В этом случае такой метод измерения называют компенсационным.
В обоих случаях задача последующих устройств (приборов) - только зафиксировать факт равенства измеряемой величины и меры, поэтому требования к ним существенно снижаются.
Определение температуры измерительными мостами
В качестве примера рассмотрим принцип действия измерительного моста в ручном режиме.
На рис.1.а представлена мостовая схема измерения температуры Θ некоторого объекта регулирования ОР (или измерения ОИ). Основу такой схемы составляет замкнутая цепь из четырех резисторов RTC, Rp, Rl, R2, образующих так называемые плечи моста. Узлы соединения этих резисторов называют вершинами (а, b, с, d), а линии соединения противоположных вершин (a-b, c-d) - диагоналями моста. К одной из диагоналей (c-d, рис.1.а) подводится напряжение питания, другая (а-b) является измерительной или выходной. Именно такая схема и называется мостовой, что дало название и всему измерительному устройству.
Резистор RTC представляет собой первичный измерительный преобразователь температуры (термосопротивление), находящийся в непосредственной близости к объекту измерения (часто внутри него) и включаемый в измерительную схему с помощью проводов длиной до нескольких метров.
Основное требование к такому термопреобразователю - линейная зависимость его активного сопротивления RTC от температуры в требуемом диапазоне измерений:
где R0 - номинальное сопротивление термопреобразователя при температуре Θ0 (обычно Θ0 = 20°С):
α - температурный коэффициент, зависящий от материала термопреобразователя.
Чаще всего используются металлические термосопротивления ТСМ (медные) и ТСП (платиновые), иногда их называют металлическими терморезисторами (МТР).
Переменный резистор Rp представляет собой высокоточный реохорд (мера), о котором говорилось выше, и служит для уравновешивания изменяющегося RTC. Резисторы R1 и R2 дополняют мостовую схему. В случае равенства их сопротивлений R1 = R2 мостовую схему называют симметричной.
Кроме того, на рис.1.а показаны ноль-прибор (НП) для фиксирования равновесия моста и стрелка со шкалой, отградуированной в градусах Цельсия.
Рис. 1. Измерение температуры измерительными мостами: а) в ручном режиме; б) в автоматическом режиме
Из электротехники известно, что условие баланса (равновесия) моста реализуется при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч моста, т.е. с учетом сопротивления проводов, которыми подключается датчик:
где Rп= Rп1+Rп2 - сумма сопротивлений проводов; или для симметричного моста (R1 = R2)
В этом случае напряжение в измерительной диагонали отсутствует и ноль-прибор показывает ноль.
При изменении температуры Θ объекта сопротивление датчика RТС изменяется, баланс нарушается, и его необходимо восстановить, перемещая движок реохорда.
При этом вместе с движком будет перемещаться стрелка по шкале (штриховая линий на рис.1.а обозначает механическую связь движка и стрелки).
Снятие показаний производится только в моменты равновесия, поэтому такие схемы и устройства часто называют уравновешенными измерительными мостами.
Основным недостатком измерительной схемы, представленной на рис.1.а, является наличие погрешности, вызванной сопротивлением проводов Rп, которое может изменяться в зависимости от температуры окружающей среды.
Исключить эту погрешность можно применив трехпроводный способ подключения датчика (см.рис.1.б).
Сущность его состоит в том, что с помощью третьего провода вершина "с" диагонали питания перемещается непосредственно к термосопротивлению, а два оставшихся провода Rп1 и Rп2 при этом оказываются в разных соседних плечах, т.е. условие баланса симметричного моста преобразуется так:
Таким образом, для полного исключения погрешности достаточно применить одинаковые провода (Rп1 = Rп2) при подсоединении датчика к мостовой схеме.
Система автоматического контроля температуры
Для реализации автоматического режима измерения (рис.1.б) достаточно вместо ноль-прибора в измерительную диагональ подключить фазочувствительный усилитель (У) и реверсивный двигатель (РД) с редуктором.
В зависимости от характера изменения температуры объекта РД будет в ту или иную сторону перемещать движок реохорда RP до тех пор, пока не установится баланс. Напряжение в диагонали а-б исчезнет, и двигатель остановится.
Кроме того, двигатель будет перемещать индикаторную стрелку и пишущий узел (ПУ), если необходимо зафиксировать показания на диаграммной ленте (ДЛ). Диаграммная лента перемещается с постоянной скоростью синхронным двигателем (СД).
С точки зрения теории автоматического регулирования, данная измерительная установка является системой автоматического контроля (САК) температуры и относится к классу следящих систем с отрицательной обратной связью.
Функцию обратной связи выполняет механическая связь вала двигателя РД с реохордом Rp. Задатчиком является термопреобразователь ТС. Мостовая схема выполняет в этом случае две функции:
1. сравнивающего устройства
2. преобразовательного устройства (ΔR в ΔU).
Напряжение ΔU является сигналом ошибки
Реверсивный двигатель является исполнительным элементом, а выходной величиной считается перемещение 1 стрелки (или пишущего узла), т.к. целью любой САК является выдача информации о контролируемой величине в виде, удобном для восприятия человеком.
Реальная схема измерительного моста КСМ4 (рис.2) несколько сложнее представленной на рис.1.б.
Резистор R1 представляет собой реохорд - проволоку с большим удельным электрическим сопротивлением, намотанную на изолированный провод-сердечник. Подвижный движок скользит по реохорду и по медной шине, расположенной параллельно реохорду.
Для уменьшения влияния переходного контактного сопротивления движка на точность измерения две части реохорда, разделенные движком, включаются в разные плечи моста.
Назначение остальных резисторов:
• R2, R5, R6 - шунтирующие, для изменения пределов измерения или диапазона шкалы,
• R3, R4 - для задания (подбора) температуры в начале шкалы,
• R7, R9, Р10 - дополняют мостовую схему;
• R15 - для подстройки равенства сопротивлений проводов Rп разных плеч моста,
• R8 - для ограничения тока терморезистора;
• R60 - для ограничения входного тока усилителя.
Все резисторы - проволочные из манганиновой проволоки.
Питание моста осуществляется переменным напряжением (6,3 В) от специальной обмотки сетевого трансформатора.
Усилитель (У) - переменного тока фазочувствительный.
Исполнительный реверсивный двигатель (РД) - двухфазный асинхронный с встроенным редуктором.
Рис. 2. Схема прибора КСМ4 в режиме одноканального измерения температуры.