Аналоговые измерительные приборы. Автоматические мосты для измерения температуры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУРСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ

 ИМЕНИ  ПРОФЕССОРА И.И.ИВАНОВА» 
 
 

                                     Кафедра информационных и электротехнических

                                                                                        систем и технологий                 

     Курсовая  работа

по дисциплине: «Методы и средства измерений  и контроля»

Тема: «Аналоговые  измерительные приборы. Автоматические мосты для измерения температуры.» 
 
 
 
 
 

                                                                      Выполнила:   

                                                                      студентка 3 курса 6 группы

                                                                       инженерного факультета

                                                                       Пономарёва Т. А.

                                                                       Проверил: преподаватель

                                                                       Губанов В. В. 
 
 

                                                  КУРСК – 2011

Содержание.

Введение

1. Автоматические мосты для измерения температуры

2. Мосты с искробезопасной измерительной схемой КСМ3-ПИ1000

3. Устройство и принцип работы

4. Погрешность

Заключение

Используемая  литература

Приложение

 

      1. Автоматические мосты для измерения температуры. 

     Уравновешенные  автоматические мосты предназначены  для измерения, записи и регулирования электрических и неэлектрических величин, связанных функциональной зависимостью с активным сопротивлением.

     Широко  распространены автоматические мосты  для измерения и записи температуры, работающие в комплекте  с терморезистором (рис. 1) 

       

     Рис. 1. Принципиальная схема автоматического моста для измерения температуры. 

     В автоматических уравновешенных мостах используется четырехплечная мостовая схема. На рис. 1 обозначены R₁, R₂, R₃, R₄ – сопротивления плеч моста; R_t – терморезистор; R_л – сопротивление линии (место измерения температуры может находиться на значительном расстоянии от прибора); R_рп – полное сопротивление реохорда; R_п – сопротивление, определяемое пределом измерения моста; U_п – напряжение источника питания; R_огр – сопротивление, ограничивающее ток в плечах мостовой схемы.

     К основным свойствам схемы автоматического  уравновешенного моста, показанной на рис. 1, относятся: высокая чувствительность; компенсация влияния температурных изменений сопротивлений соединительных проводов (R_л); возможность расширения пределов измерения шунтированием реохорда сопротивлением R_п (без потери линейности шкалы).

     Чувствительность  автоматического  уравновешенного  моста

 

      ,    (1) 

     ∆U_м – напряжение на выходе измерительной схемы моста при изменении температуры на ∆t⁰; t_п – предел измерения по температуре (t_п=t_max-t_min); γ - относительная приведенная погрешность измерений.

     Уравнение шкалы автоматического моста  можно получить на основании условий  равновесия мостовой схемы для двух случаев (для упрощения рассматриваем измерительную схему  автоматического моста без сопротивлений R_ш и R_п): t=t_min и t=t_min+Δt, т.е. R_t=R_tmin (движок реохорда в точке 2) и R_t=R_tmin+ΔR_t= R_tmin+ β_tR_tmin Δt , где β_t – температурный коэфициент сопротивления материала термометра.

     Определим эти условия:

     (R_tmin+Rл+R₁+R_рп)∙R₄=R₂∙(R₃+R_л), (2)

     (R_tmin+ ΔR_t+R_л+R_рп - R_р)∙R₄=(R₂+R_р)∙(R₃+R_л). (3)

     Вычитая из уравнения (3) уравнение (2), получаем следующее выражение:

      (ΔR_t - R_р)∙R₄=R_р∙(R₃+R_л).

     отсюда 

     R_р=ΔR_t∙R₄/(R₃+R₄+R_л)=β_t∙R_tmin∙R₄∙Δt/(R₃+R₄+R_л). (4)

     Уравнение шкалы прибора  можно записать в таком виде:

     l=l_п∙R_р/R_рп=(l_п/R_рп)∙(β_t∙R_tmin∙R₄/( R₃+R₄+R_л))∙Δt=c∙Δt; (5) 

     с≡(l_п/R_рп)∙(β_t∙R_tmin∙R₄/( R₃+R₄+R_л)), где l_п – полная длина реохорда.

     Полученное  выражение (5) свидетельствует о том, что шкала прибора линейна. Изменение сопротивления соединительных проводов (ΔR_л), которое может быть вызвано изменением температуры окружающей среды, не оказывает существенного влияния на показания прибора  благодаря трехпроводной схеме включения терморезистора. Покажем это.

     Равновесное состояние схемы для некоторого сопротивления терморезисторов R_t и сопротивления линии R_л определяется соотношением

     (R_t+R_л+R₁+R_рп - R_р)∙R₄=(R₂+R_р)∙(R₃+R_л). (6)

     если  предположить, что сопротивление  соединительных проводов изменилось на ΔR_л, то показания автоматического моста останутся неизменными, если будет выполняться условие

     (R_t+R_л+ΔR_л+R₁+R_рп - R_р)∙R₄=(R₂+R_р)∙(R₃+R_л+ΔR_л). (7)

     вычитая из (7) выражение (6), получим

     ΔR_л∙R₄=(R₂+R_р)∙ΔR_л, т.е. R₄=R₂+R_р.  (8)

     В процессе измерений R_р изменяется, поэтому полная компенсация влияния ΔR_л возможна для одной точки шкалы, для которой выполняется условие (8). Целесообразно выполнение этого условия для середины шкалы. Тогда погрешность, вызванная изменениями сопротивлений соединительных проводов, для всей шкалы прибора незначительна.

     В этом случае выбор сопротивления  определяется соотношением

     R₄=R₂+R_рп/2. (9)

     При градуировке сопротивление каждого  из соединительных проводов предполагается равным 2.5 Ом. Для их подгонки до расчетного значения служат специальные уравнительные катушки.

     Автоматические  мосты, выполненные по схеме рис. 1, имеют уменьшенное влияние внешних наводок (третий соединительный провод входит в диагональ источника питания, а не в усилитель).

     Самонагрев  термометра устраняется соответствующим выбором R_огр (для устранения погрешности от самонагрева ток в термометре не должен превышать 7 – 8 мА). Нестабильность переходного сопротивления контакта движка реохорда не вносит погрешности в измерения, так как оно включено последовательно с большим по величине входным сопротивлением усилителя. Термо- и контактная ЭДС устраняются при питании схемы моста переменным напряжением.

 

2. Мосты с искробезопасной измерительной схемой КСМ3-ПИ1000.

 

     2.1 Назначение. 

     КСМ3-ПИ представляет собой стационарный одноточечный показывающий и регистрирующий прибор с записью на диаграммном диске.

     Автоматический  уравновешивающий мост предназначен для  контроля и записи температуры или других величин, изменения значений которых могут быть преобразованы в изменение активного сопротивления.

     Прибор  КСМ3-ПИ с искробезопасной измерительной  цепью. Он работает в комплекте с  серийно выпускаемым первичным  преобразователем, не имеющим собственного источника тока и не обладающим индуктивностью или емкостью. Прибор выполнен так, что аварийные режимы, возникающие в них в результате  короткого замыкания, обрыва или выхода из строя какого-либо элемента и т.п., не могут вызвать искру в цепи первичного преобразователя, способную воспламенить взрывоопасную смесь, в которой установлен датчик (термопреобразователь сопротивления).

     Серийно выпускаемые датчики, которые не имеют собственного источника тока, а также не обладают индуктивностью или емкостью и работают в комплекте  с прибором, можно устанавливать  в помещениях всех классов, согласно классификации ПУЭ, содержащих взрывоопасные концентрации смесей 1, 2, 3 и 4-й категории, групп Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 согласно классификации ПИВРЭ. На установках класса В-1Г нужно использовать датчики, удовлетворяющие всем вышеперечисленным требованиям и предназначенные для работы на открытом воздухе.

     При этом сам прибор нужно устанавливать  только вне взрывоопасных помещений.

     Прибор  предназначен для эксплуатации при  температуре окружающего воздуха  от плюс 5 до плюс 50⁰С и верхнем значении относительной влажности 80% при температуре 35⁰С и более низких температурах  без конденсации влаги.

     Окружающий  воздух не должен содержать вредных  примесей, вызывающих коррозию, и механических включений (особенно токопроводящих), которые могут повлиять на работу прибора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Устройство и принцип работы. 

     3.1 Электрическая функциональная схема  автоматического уравновешенного  моста. 

       

     Рис. 2. Схема электрическая функциональная автоматического уравновешенного моста:

     1 – реохорд; 2 – усилитель; 3 – электродвигатель; 4 – редуктор; R1, R7, R8 – резисторы измерительной схемы; Rt – сопротивление термопреобразователя.

     Схема (рис. 2) представляет собой уравновешенный мост, состоящий из резисторов с  постоянными сопротивлениями R₁, R7,R8, сопротивления реохорда 1 с ползунком и сопротивления термопреобразователя Rt.

     В одну из диагоналей моста через делитель подается напряжение 1.5 В (50 Гц), другая диагональ подключена к входу  уравновешивающей системы, состоящей  из усилителя 2 и электродвигателя 3. электродвигатель через редуктор 4 связан с ползунком реохорда, указателем и пером (последнее на схеме не показано).

     При изменении контролируемой температуры  меняется сопротивление термопреобразователя, что выводит из равновесия мостовую цепь. Появляется напряжение рассогласования, которое  усиливается усилителем и приводит  во вращение электродвигатель. Вал электродвигателя связан с движком реохорда так, что перемещение  ползунка по реохорду  продолжается до положения, обеспечивающего уравновешивание мостовой цепи.

     Таким образом, положение ползунка и связанных  с ним указателя и пера прибора  однозначно определяет величину сопротивления  термопреобразователя, и, следовательно, величину измеряемой температуры. 

     3.2 Схема электрическая принципиальная  уравновешивающего моста. 

     Питание измерительной цепи (рис. 3) осуществляется напряжением 6.3 В переменного тока одной из обмоток усилителя.

     Сопротивление резисторов R1,R2,R7,R8 мостовой цепи определяется расчетным путем для каждой  градуировки и предела измерения  прибора. 
 

       

     Рис. 3. Схема электрическая принципиальная уравновешенного моста КСМ3-ПИ. 

     Перечень  элементов к схеме  электрической принципиальной уравновешенного  моста КСМ3-ПИ.

Обозначение	Наименование	Кол.
С3, С4	Конденсатор К-50-6-15-50 неполярный	2
С7, С8	Конденсатор МГБЧ-1-3а-500-0.5	2
В1, В2	Тумблер ТП1-2	2
М1	Электродвигатель  конденсаторный асинхронный реверсивный  Д-32	1
М2	Двигатель синхронный ДСД2-П1-220	1
Пр	Предохранитель  ВП1-1-1А	1
R	Намотка реохорда	2
R3	Проволока ПдВ-20-0.2	280 мм
R5	Проволока ПдВ-20-0.2	280 мм
R11, R12	Резистор МЛТ-0.5-51	2
R17	Резистор IIСП-II-0.5-150 кОм +20%-В-ОС-3-16	1
D1-D4	Диод Д223А	4
3	Усилитель У2-01-01	1
Ш	Разъем внешних  соединений	1