Файл: Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры.pdf

ности рассеивания иа сопротивлении датчика напряже­ ние питания моста можно брать равным 1,5 в; тогда чувствительность моста равна 7 мв/ом. Если учесть, что в стандартных термометрах сопротивления (например, платиновых) изменение сопротивления при нагреве иа 100 °С равно 18 ом, то вся измерительная схема имеет чувствительность к измеряемому параметру примерно

1,4 мв/°С.

Мостовая измерительная схема в системе контроля и сигнализации обладает существенными преимуществами,.

заключающимися в том, что: регистрация выхода темпе­ ратуры за предел, заданный сопротивлением задатчика,, -происходит в режиме инди­ кации состояния равновесия (точнее, перехода через со­ стояние равновесия), что можно осуществить нульиндикатором.

Очевидно, что -в этом слу­ чае требования к измери­ тельному устройству, стоя­ щему на выходе 'мостовой схемы, существенно ниже,, чем к устройствам регистра­

ции величины сигнала, н реализация нуль-ппдикаторов

может быть произведена менее точными транзисторными схемами.

Отметим особенности работы измерительного моста на переменном токе. Известно, что работа системы сиг­ нализации с питанием переменным током представляет определенные выгоды и, в первую очередь, это выражает­ ся в простоте построения нуль-индикатора достаточной чувствительности. Работа на переменном токе позволяет исключить погрешности от таких факторов, как термо- s. д. с., остаточные напряжения на полупроводниковых элементах и т. д.

При наличии только активных резисторов все соотно­ шения, полученные для постоянного тока, не изменяются при работе схемы на переменном токе. Однако в реаль­ ных системах начинает сказываться шунтирующее влия­ ние емкости кабеля связи и емкости обмоток питающего трансформатора.

22

В этом случае в измерительной схеме появляется ряд особенно­ стей, которые мы кратко рассмотрим.

На рис. 2-2 изображена схема моста переменного тока, у кото­ рого параллельно датчику включена емкость линии связи С. Оче­ видно, что при наличии трех остальных активных сопротивлений условие (2-6) не может быть удовлетворено для 2 Д= 1/(/шС-Н1/#д) ни при каких значениях их величин. Это значит, что в выходном сигнале появилась квадратурная составляющая, которая .может быть скомпенсирована введением параллельной емкости С3 в цепь сопро­

Отметим одно благоприятное обстоятельство, получаемое при равновесии моста переменного тока введением емкости в плечо Яз- Условие равновесия, связанное с наличием емкости С, не вклю­ чает переменную величину сопротивления датчика Лд, а условие равновесия, связанное с изменением величины датчика /?д, остается по отношению к величинам активных сопротивлений неизменным по сравнению со случаем отсутствия емкости С. Это позволяет вести градуировку задатчиков без учета емкостей линии, что очень удобно

при наладке подобного рода систем.

2-2. МНОГОВЕТВЕВАЯ МОСТОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Многоветвевая мостовая измерительная схема нахо­ дит широкое применение в автоматических системах, так как она позволяет решать наиболее экономичным обра­ зом целый ряд задач многоточечного многопредельного контроля температуры при помощи резисторных датчи­ ков |[Л. 3, 23].

Работа многоветвевых мостов имеет ряд особенно­ стей, которые связаны с конечным входным сопротивле­ нием ключевых устройств в многоточечных однопредель­ ных сигнализаторах и конечным входным сопротивлени­ ем индивидуальных усилителей для каждого предела в многоточечных многопредельных сигнализаторах. Эти усилители, как и ключевые устройства, непрерывно под­ ключены к схеме (рис. 2-3).

Входные сопротивления усилителей (или ключевых устройств) шунтируют на землю все измерительные пле­ чи многоветвевого моста. В этом случае для каждого

23

датчика цепью задатчика будет эквивалентная цепь, со­ стоящая из задатчика, параллельно которому включены зашунтированные на землю все плечи многоветвевого моста за исключением рассматриваемого.

Если устройство контроля температуры многоканаль­

реохорды задатчиков г,-. К выходам мостов, образован­ ных ветвыо с датчиком и каждой из ветвей с задатчика­ ми, подключены сигнальные усилители У*. Аналогичную' структуру имеют многоветвевые схемы, предназначенные для многоточечного однопредельного контроля с ключе­ выми ячейками коммутатора на выходе (см. рис. 1-4).

В таких схемах через входную цепь каждого усплнтеля (или ключевой ячейки) протекает ток, величина ко­ торого равна нулю в момент баланса t'-ro моста (в мо­ мент сигнализации). Токи отдельных неуравновешенных мостов вызывают перераспределение напряжений в вет­ ви с датчиком, что меняет состояние и уравновешенного моста, внося дополнительную погрешность.

Один из методов уменьшения этой погрешности за­ ключается в использовании нескольких источников пита­ ния многоветвевого моста с различной несущей частотой. Однако такой метод значительно усложняет схему и оправдывает себя лишь в простейших устройствах двух­ предельного контроля, когда одна цепь питается пере­ менным током, а другая — постоянным. Это позволяет произвести частотную селекцию сигналов достаточна простыми средствами.

24

В остальных случаях возможно лишь уменьшение

.дополнительной погрешности до определенной величины. Для количественной оценки этой величины необходимо установить ее связь с параметрами индивидуальных ^усилителей и измерительной схемы [Л. 15]. Эта оценка имеет важное значение при разработке устройств с тран-

Рис. 2-4. Эквивалентная схема многоветвевого моста.

зисторными усилителями, обладающими сравнительно небольшим входным сопротивлением.

Для вывода основных соотношений рассмотрим мост с тремя ветвями (рис. 2-4), содержащими датчик Rr, за­ датчики г и г' и плечи моста Rlt R2, R3, R'i, R'з- К выхо­ дам мостов подключены усилители, входные сопротивле­ ния которых равны соответственно Ry и R'у. Ограничим­ ся наиболее распространенным случаем, когда усилители идентичны и диапазоны изменения уставок по обоим пределам равны, т. е. Ry= R'y\ r=r'\ R2 = R' 2 и R3—R'3.

Предположим, что датчик имеет сопротивление Rr0, соответствующее нижней границе диапазона предельных значений сигнализируемой температуры. Левый мост уравновесится, если движок задатчика поставить в край­ нее нижнее положение; при этом уравнение баланса мо­ ста будет иметь вид:

Поставив движок правого задатчика в крайнее верх­ нее положение, можно максимально разбалансировать правый мост. Его влияние на левый мост окажется в этом случае наибольшим.

Преобразуем звезду, состоящую из сопротивлений R'2, (R'3 + r') и R'у в треугольник. Как видно из рис. 2-4, со­ противления R2y и Дзу шунтируют соответственно плечи

25

моста /?! п Чтобы вновь уравновесить левый мост,, движок реохорда г надо сместить на величину у, которая равна абсолютной ошибке, вызванной влиянием правого моста. Уравнение баланса левого моста примет вид:

Так как в практических случаях допустимые значе­ ния б обычно не превышают 10~2— 10_3, выражение (2-15) можно значительно упростить, если пренебречь, вторым слагаемым числителя ввиду его малости

где А ■— коэффициент, зависящий от элементов мостовой схемы и равный

Каждая новая ветвь при увеличении их числа будет оказывать на левый мост такое же влияние, как и ветвь II (см. рис. 2-4). Поэтому в выражение (2-17) следует ввести множитель (я— 1), где я — количество ветвей с за­ датчиками

26

В качестве примера определим значение коэффициента А для

•некоторых случаев работы мостов со стандартными термометрами ■сопротивления. При расчете сопротивлении плеч моста можно вос­ пользоваться известными условиями выбора значений элементов мо­

задатчика.

Учитывая эти условия, получим величины сопротивлений плеч

Значения коэффициента А для различных стандартных [Л. 35] традуировок датчиков и различных диапазонов контроля приведены в табл. 2-:1.

Таблица 2-1

В многоточечных устройствах чаще всего встречает-

•ся случай двухпредельного контроля температуры («меньше» и «больше» нормы) (Л. 3, 9], для которого справедлива формула (2-17). Подставляя в эту формулу значения коэффициента А из табл. 2-1, можно опреде­ лить, например, что для контроля температуры в диапа­ зоне 0—300 °С термометром сопротивления стандартной градуировки 21 [Л. 35] с погрешностью 0,2% необходимо применять усилители, входное сопротивление которых

27

должно быть не менее 1,4 ком. При уменьшении контро­ лируемого диапазона до 100°С это сопротивление может быть уменьшено до 1,2 ком.

На рис. 2-5 представлена зависимость б (Ry) для ряда значений коэффициента А при п— 2, позволяющая без предварительного расчета определить б или Ду, если за­ дана одна из этих величин. При значениях /г>2 величи­ ны, определенные из рис. 2-5, увеличиваются в п— 1 раз..

Рис. 2-5. Зависимость погрешности, вносимой шун­ тирующим действием усилителей, от их входного сопротивления.

Из анализа выражения (2-18) следует, что при наи­ более часто встречающихся на практике величинах А, равных 20—40, и при числе каналов 100—200 входное сопротивление закрытых ключевых ячеек в схемах многоветвевых мостов должно быть не менее 1—4 Мом при погрешности, вносимой их шунтирующим действием, око­ ло 0,2%.

При анализе погрешности была рассмотрена схема, в которой соответствующие элементы мостов и парамет­ ры сигнальных усилителей приняты идентичными. Такие схемы находят наибольшее практическое применение. Однако приведенная методика анализа многоветвевых мостов может быть использована и в том случае, когда элементы отдельных ветвей и параметры усилителей раз­ личны.

Для этого в случае трех ветвей в выражения для и Дзу, входящие в формулу (2-12), необходимо подста-

28

вить фактические значения сопротивлении, образующих ветвь II (см. рис. 2-4). Б случае большего количества ветвей молено получить конечный результат из выражения (2-18) с достаточной для инженерных расчетов точ­ ностью, приняв для сопротивлении сигнальных усилите­ лей и элементов ветвей минимальное значение из всех, имеющихся в данной схеме.

Рассмотренный способ определения дополнительной погрешности многоветвевых схем позволяет учесть ее и при необходимости уменьшить величину этой погрешно­ сти путем выбора соответствующих параметров, устройств, стоящих на выходе измерительной схемы.

2-3. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОСТОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

В устройствах многоточечного контроля температуры,, работающих с промышленными термометрами сопротив­ ления, нелинейность характеристики термометров не играет решающей роли: медные термометры сопротивле­ ния имеют линейную характеристику, нелинейность ха­ рактеристики платиновых термометров не превышает 2-10~5 1/°С {Л. 35] и при ширине диапазона измерения до 100—200 °С несущественна. Основную роль в этом случае играют нелинейности, связанные с измерительной мостовой схемой.

Известно, что характер шкалы задатчика (или урав­ новешивающего реохорда) в измерительных мостах опре­ деляется местом включения задатчика ' в схему. При включении задатчика (рис. 2-6,а) между двумя плечами,, одно из которых содержит контролируемое сопротивле­ ние датчика _/?д, уравнение шкалы I представляет собой линейную функцию приращения Д контролируемого со­ противления. Если задатчик включен между плечами, не­ содержащими Л?д (рис. 2-6,6), то зависимость /(Д) не­ линейна.

Несмотря на очевидность преимуществ первой схемы,, позволяющей получить линейную шкалу и применяемой в 'системах, у которых каждому термометру сопротивле­ ния соответствует отдельная мостовая измерительная схема, в системах многоточечного контроля с общим за­ датчиком возникает необходимость применять схему мо­ ста второго типа. Именно такой случай имеет место при

29.