Автоматические измерительные приборы и системы

Автоматическими измерительными приборами (АИП) называ­ются приборы, в которых процесс измерения происходит автома­тически, без участия операторов. Они предназначены для измере­ния и регистрации параметров, характеризующих технологические процессы производства. К таким параметрам относятся: темпера­тура, давление, уровень и расход жидкости, концентрация и состав газов и жидкостей, электрические напряжения и токи, мощность, частота и др.

Широкое использование в настоящее время АИП и все большая потребность в них объясняется рядом важнейших метрологических и эксплуатационных характеристик: высокая точность (погрешность до 0,001 %) и чувствительность (до 10 8), незначительная зависимость показаний приборов от условий эксплуатации, малое собственное потребление энергии, возможность использования маломощных первичных преобразователей сигнала, возможность одновременного измерения нескольких величин, получение документальной информации.

Эти показатели обеспечиваются использованием компенсаци­онного метода измерения, применением совершенных электронных устройств, характеризующихся малой инерционностью и большой выходной мощностью, некоторым усложнением схем узлов АИП, использованием объективного отсчета измеряемых параметров.

В общем случае структурную схему АИП непрерывного действия можно представить в виде рис. 11.3. Здесь ПП — первичный пре­образователь, ИЦ — измерительная цепь, У — усилитель, РД — реверсивный двигатель, Р — редуктор, КУ — корректирующее устройство, ВУ — выходное устройство. Звенья прямой передачи сигнала или прямого тракта системы (ИЦ, У, РД, Р), охваченные кор­ректирующим устройством КУ, образуют следящую систему СС и обеспечивают автоматизацию процесса измерения.

Принцип действия следящей системы СС заключается в срав­нении измеряемой величины Ux, поступающей от первичного пре­образования ПП, с компенсирующей ее величиной Uк, вырабаты­ваемой корректирующим устройством КУ. Разность этих величин
U  U1 усиливается и подается на реверсный двигатель РД, который, воздействуя через редуктор Р на корректирующее устройство КУ, одновременно обеспечивает работу выходного устройства ВУ.

Равновесие системы наступает при U  0. Это равновесие возможно в астатической системе, необходимым условием которой является наличие в прямом тракте передачи сигнала интегрирую­щего звена. В данном случае интегрирующим звеном является ре­версивный двигатель РД, так как скорость поворота его выходного вала пропорциональна поданному на управляющую обмотку на­пряжению:

В действительности, при равновесии U  0 и определяется порогом чувствительности Uпор — минимальным значением U, приводящим к троганию двигатель, и инерционностью звеньев системы.

По типу измерительных систем существующие АИП непрерыв­ного действия подразделяют на мосты с уравновешиванием по одному параметру, потенциометры постоянного тока и приборы с дифференциально-­трансформаторной системой. Принципы построения и требования, предъявляемые к измерительной цепи и корректирующему устройству перечисленных АИП, имеют прин­ципиальные различия.

Автоматический мост для измерения температуры. На рис. 11.4 приведена упрощенная схема автоматического уравновешенного моста, предназначенного для измерения температуры с помощью терморезистора Rt. В одно из плеч моста включается терморезистор, подсоединяемый с помощью линии связи сопротивлением Rл. Три остальные плеча выполнены из термостабильных резисторов R, R2—R4.

Уравновешивание моста при начальной температуре осущест­вляется изменением положения движка переменного резистора R. При отклонении температуры от начальной изменяется сопротив­ление терморезистора и мост выходит из равновесия. Появляется сигнал рассогласования U, поступающий на вход усилителя. Уси­ленный сигнал подается в обмотку управления ОУ реверсивного двигателя РД, на валу которого имеется редуктор Р, механически связанный с движком переменного резистора R и указателем вы­ходного устройства ВУ.

Посредством этих связей мост автоматиче­ски приводится в равновесие. Отработка сигнала рассогласования происходит до тех пор, пока U больше порога чувствительности регулятора Uнор. Выходная величина может быть отсчитана по шкале, отградуированной непосредственно в градусах Цельсия. Градуировка шкалы справедли­ва для каждого конкретного терморезистора.

Трехпроводное включение терморезистора позволяет существен­но снизить влияние соединительных проводов Rл на точность из­мерения. Действительно, с учетом того, что два провода сопротивлением Rл подсоединены в смежные плечи моста, а третий с таким же сопротивлением — в диагональ питания моста, получим:

При симметрии плеч моста, т. е. при R2 R4 получаем полное устранение влияния Rл на погрешность измерения. Шкала прибора, т. е. зависимость  f(T), имеет линейный характер при включении терморезистора R1 в плечо мостовой цепи, прилегающей к реохор­ду R.

Автоматический потенциометр постоянного тока. В качестве примера реализации автоматического устройства, использующего компенсационный метод измерения, рассмотрим потенциометр, работающий в комплекте с термопарой, на концах которой создается термо­ЭДС E1 (рис. 11.5).

Компенсирующее устройство этого потенциометра выполнено по мостовой схеме. Процесс измерения осуществляется в два приема. При положении К переключателя П происходит установка рабочего тока с использованием нормального элемента с ЭДС EN. Напряжение разбаланса U  EN  RNIр2 поступает на вход усилите­ля. С выхода усилителя напряжение подается на обмотку управле­ния ОУ реверсивного двигателя РД, который изменяет положение движка реостата Rрег. Прибор автоматически доводит значение U до нуля. В этом случае в цепи устанавливаются определенные токи Ip, Ip1, Ip2.

При положении И переключателя П происходит переключение механической связи реверсивного двигателя РД на движок В по­тенциометра. Измеряемая ЭДС E1 термопары уравновешивается компенсирующим напряжением

Современные автоматические потенциометры для измерения температуры снабжаются стабилизированными источниками пи­тания. Они не имеют нормального элемента и режима автоматиче­ской установки рабочих токов.

Дифференциально-трансформаторное устройство. Схема, по­казанная на рис. 11.6, нашла широкое применение для измерения давления (автоматический манометр), уровня жидкости (уровнемер) и расхода жидкости (расходомер).