книги из ГПНТБ / Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры

где

По поводу выражения (2-5)' сделаем некоторые замечания. Соотношение i(2-5) не изменяет своего вида для моста перемен­

ного тока, если вместо величин сопротивлений подставить соответст­ вующие комплексные сопротивления Z, а вместо напряжения источ­ ника питания—-комплексное значение этого напряжения. При вы­ полнении условия

выходное напряжение моста независимо от питающего напряжения, параметров источника питания и измерительного устройства равно нулю. Это условие называют условием равновесия .моста.

При непрерывном изменении одного из параметров, например Яд, переход сопротивления Яд через величину, определяемую соотно­ шением (2-6), приводит к изменению знака выходного напряжения на противоположный или фазы переменного тока на 180°. Это обсто­ ятельство. положено в основу фазовой индикации перехода моста через состояние равновесия в том случае, если мостовая схема

•состоит из активных сопротивлений и питается переменным таком. Сопротивление датчика Яд, при котором наступает равновесие моста, определяется величиной сопротивлений остальных плеч моста, в частности Яг и ЯзИзменяя сопротивление одного из этих плеч, можно настроить мост на различную температуру сигнализации.

Таким образом, эти плечи являются задатчиками сигнализации. Задатчик представляет собой, как правило, переменное сопротив­

ление, снабженное шкалой, отградуированной в градусах темпера­ туры. Для исключения влияния на настройку схемы переходного сопротивления движка задатчик включается по потенциометрической схеме между плечами Яг и Яз таким образом, чтобы его движок являлся вершиной d измерительной диагонали. По отношению к ди­ агонали ас мост представляет собой две параллельно включенных

пользуется мостовая схема, содержащая несколько включенных параллельно ветвей задатчиков, каждая из которых настроена на

20

другую температуру. Ветви задатчиков коммутируются специальным коммутатором.

Из соотношения ('2-5) видно, что зависимость выходного напря­ жения от сопротивления датчика нелинейна.

Важным параметром моста является его чувствитель­ ность по измеряемому параметру. Для определения вели­ чины чувствительности учтем некоторые соотношения между параметрами моста, генератора и индикатора. Со­ противления, из которых состоит мост, в системах сигна­ лизации температуры с термометрами сопротивления мо­ гут изменяться в пределах 50—200 ом. Входное сопро­ тивление измерительного устройства, как правило, зна­ чительно превышает эту величину (Rn.у = 3—5 ком). Пи­ тание мостовых схем осуществляется низкоомиым источ­ ником переменного напряжения, внутреннее сопротивле­ ние которого не более 1—2 ом. Поэтому без особой по­ грешности при определении чувствительности можно по­ ложить существование следующих неравенств:

из которого определяется чувствительность мостовой схе­ мы

Соотношение (2-8а) показывает, что чувствительность увеличивается с увеличением напряжения питания моста U. Однако это приводит к увеличению мощности рассеи­ вания на сопротивлении датчика температуры. Обычно допустимая мощность задается и равна 10 мет, отсюда при сопротивлении датчика, равного примерно 50 ом, ток в цепи датчика не превышает 13 ма.

Поскольку чувствительность моста слабо зависит от сопротивления его ветвей {Л. 13], их величина выбирается из технологических удобств и берется равной, т. е. R лгД2~^з- В этом случае для обеспечения указанной мощ­

21

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.