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.

     Данные  резисторов измерительной цепи прибора КСМ3-ПИ.

     Сопротивление обмотки реохорда составляет приблизительно 202 Ом (для намоток из сплава ПдВ-20) или около 85 Ом (для намоток из манганина). Обмотка реохорда шунтируется резистором R4, величина которого подбирается отдельно к каждому реохорду в зависимости от градуировки и предела измерений. Токосъемник реохорда имеет сопротивление такое же, как и обмотка реохорда, и для уменьшения наводок от магнитных полей закорочен.

     Шлейфы  служат для точной регулировки размаха  шкалы прибора при градуировке, а также для компенсации погрешности, вызванной износом обмотки реохорда. Допускается включение одного шлейфа последовательно с обмоткой реохорда.

     Резистор R6 служит для снижения напряжения питания  измерительной цепи от обмотки 6.3 В  силового трансформатора усилителя.

     Так как длина и сечение проводов, соединяющих термопреобразователь сопротивления с прибором, могут  быть различными в зависимости от места установки, то в измерительную цепь моста введены уравнительные катушки R2 и  R9, сопротивление которых во время монтажа уменьшают на величину сопротивления соединительных проводов.

     Начальное сопротивление уравнительной катушки  составляет 2.5 Ом.

     Третий соединительный провод цепи термопреобразователя вводят с целью уменьшения погрешности прибора от изменения сопротивления медных соединительных проводов при отклонении температуры окружающей среды от нормальной. В мостах также введен контроль исправности прибора. При установке переключателя в положение «контроль» и перемычки в положение «градуировка» клеммы А, В, С замыкаются  и параллельно резистору R8 включается резистор R10, что вызовет разбалансировку схемы. Указатель должен установиться против красной отметки на шкале. 

     3.3 Обеспечение искробезопасности. 

     Искробезопасность измерительной цепи прибора обеспечивается:

• Специальным конструктивным исполнением элементов и прибора;
• Введением в схему стабилизированного источника питания ИПС3-01И и усилителя в искробезопасном исполнении У2-01-01;
• Подсоединением датчика на отдельный клеммник, закрытый опломбированной крышкой;
• Наличием на крышке приборной таблички с обозначением вида взрывозащиты, надписи «искробезопасная цепь» на крышке реохорда, а также на крышке, закрывающей переходную колодку;
• Пломбированием шасси и крышки прибора;
• Невзаимозаменяемостью штепсельных разъемов. Невзаимозаменяемость обеспечивается соответствующей длиной жгутов и различными типами разъемов;
• Установкой на входе усилителя специального неразъемного искрозащитного блока, залитого термореактивным компаундом и состоящего из двух пар встречно-параллельно включенных диодов D1 - D4 и двух ограничительных резисторов R11, R12. при этом предусматривается дублирование диодов.

     Жгуты искробезопасных цепей окрашены в синий цвет и отделены от искровых жгутов на расстояние не менее 8 мм. Монтаж искробезопасных цепей выполнен отдельными жгутами, заключенными в трубку или экранированными. 

3.4 Конструкция прибора. 

       Прибор КСМ3-ПИ конструктивно  выполнены в прямоугольном стальном корпусе, приспособленном для щитового монтажа. Корпус прибора закрыт крышкой с застекленным круглым окном, через которые видны шкала, диаграммный диск, указатель и перо с держателем. На лицевой стороне шасси установлены выключатель и предохранитель. Шасси прибора фиксируется в рабочем положении защелкой, расположенной справа на шасси. Чтобы открыть шасси, нужно нажать на рукоятку защелки вверх и потянуть шасси на себя.

     На  внутренней стороне шасси установлены  реохорд, реверсивный двигатель, привод диаграммного диска, переходная колодка.

     На  задней стенке корпуса расположены: измерительный блок, усилитель, блок конденсаторов, разъем внешних соединений, переходная колодка.

     При необходимости крышка прибора легко  снимается, для чего достаточно нажать на верхнюю ось шарнира и утопить ее на глубину, равную толщине рамки корпуса. При снятии крышки нужно соблюдать осторожность – необходимо придержать ось рукой для предотвращения выталкивания ее пружиной.

     Намотки реохорда и токосъемника размещены на пластмассовом каркасе, имеющем две кольцевые проточки. В качестве основания для намотки реохорда применяется изолированная медная проволока. Внутри каркаса расположены шунтирующий резистор и шлейфы. Шлейфы выполнены в виде натянутой петли, ветви которой соединяются между собой подвижными ползунками. После перемещения ползунков по петле они должны быть зафиксированы. Ползунок реохорда укреплен на металлическом рычаге, закрепленном на втулке, которая приводится во вращение реверсивным двигателем. Реохорд закрыт стальной съемной крышкой, которая защищает его от наводок, создаваемых электромагнитными полями, и одновременно предохраняет его от механических повреждений. 

     3.4.1 Усилитель. 

     В приборе устанавливается усилитель  в искробезопасном  исполнении У2-01-01.

     Питание усилителя осуществляется от сети переменного  тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

     Мощность, потребляемая полупроводниковым усилителем – не более 15 ВА.

     Усилитель совместно с реверсивным двигателем Д-32 работают в качестве нуль-индикатора и предназначены для усиления напряжения постоянного тока с преобразованием его в переменный ток частотой 50 Гц, а так же переменного тока той же частоты.

     Регулирование коэффициента передачи усилителя производится резистором R5, встроенном в усилителе, и R17, расположенном на выносном кронштейне слева от усилителя.

     Искробезопасность входных и выходных цепей усилителя  обеспечивается следующими способами:

• Выведением цепей питания измерительной схемы моста на отдельный разъем Ш2 силового трансформатора;
• Введением экранов в трансформатор усилителя и выведением первичной обмотки отдельно от остальных;

     3.4.2 Реверсивный электродвигатель. 

     В приборе установлен реверсивный  асинхронный электродвигатель Д-32 с  обмоткой управления на 12 В. напряжение питания обмоток возбуждения – 127 В.

     Электродвигатель  предназначен для перемещения ползунка реохорда, указателя и пера, а  также для приведения в действие других кинематических узлов прибора. Асинхронные конденсаторные  электродвигатели Д-32 выполнены конструктивно вместе с редуктором, снижающим обороты электродвигателя до 24 об/мин или 72 об/мин на выходном  валу редуктора, при номинальных напряжениях на обоих обмотках двигателя и номинальном моменте на валу.

     Статор  электродвигателя состоит из двух обмоток, намотанных на восьми одинаковых катушках. Каждая обмотка образует две пары  явно выраженных полюсов. Обмотка управления двигателя включается на выход усилителя, а обмотка  возбуждения через делитель, состоящий из двух конденсаторов, включается на напряжение питания 220 В.

     Для согласования  сопротивления управляющей  обмотки с выходным сопротивлением усилителя предназначены конденсаторы С3 и С4 емкостью по 50 мкФ. Конденсаторы образуют с управляющей обмоткой резонансный контур, настроенный  на частоту 50 Гц.

     Номинальный момент М_н=1700 гс*см при номинальном напряжении на обеих обмотках двигателя и скорости вращения выходного вала 24 об/мин. Потребляемая мощность – не более 12 ВА.

     Ротор двигателя короткозамкнутый, типа беличьей клетки, собран из пластин электротехнической стали и вращается на шариковых подшипниках.

     Двигатель рассчитан на режим длительной эксплуатации и особого ухода не требует. При  нормальных условиях работы не реже двух раз в год следует промывать  подшипники и шестерни редуктора  бензином. Перед установкой ротора в корпус шарикоподшипники обильно смазать консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. зубья шестерен заполнить, а остальные трущиеся части редуктора покрыть этой же смазкой.

     После  сборки двигатель необходимо проверить  на напряжение трогания. Двигатель  должен вращаться в обоих  направлениях при напряжении на управляющей обмотке не более 0.6 В.

3.4.3 Измерительный блок. 

     Все резисторы измерительной цепи смонтированы в блоке, укрепленном на задней стенке корпуса. В том же блоке смонтированы с наружной стороны резисторы R2 и R9.

     Выходные  клеммы «плюс», «минус», A, B, C, имеющиеся  в блоке, выведены снаружи на заднюю стенку прибора и закрыты съемной  крышкой. На этой крышке нанесена надпись  «Вход / Искробезопасная цепь».

     Уравнительные резисторы R2 и R9 служат для подгонки сопротивлений присоединительных  проводов термопреобразователя сопротивления  до величины 2.5 Ом.

     В блоке установлен переключатель, позволяющий  переключать прибор из рабочего состояния  в контрольное, а также перемычка. В положении «работа» перемычка из схемы исключена, а в положении «градуировка» используется в контроле исправности, замыкая клеммы B и C. Печатная плата с установленными на ней элементами схемы крепится к корпусу блока.

     Плата блока покрыта со стороны монтажа специальным лаком, предохраняющим ее от окисления и замыкания при попадании на нее пыли. Схема электрическая соединений измерительного блока показана на  рис. 4. 

     Рис. 4. Схема электрическая соединений измерительного блока моста. 

     3.4.4 Привод диаграммного диска. 

     Привод  диаграммного диска состоит из синхронного  двигателя ДСД2-П1-220, редуктора и  фрикционной планшайбы. Последняя  позволяет вручную правильно  устанавливать диаграммный диск по отношению к указателю времени, укрепленному на плате прибора. Диаграммный диск надевается на ступицу планшайбы и закрепляется на ней быстросъемной шайбой. Скорость вращения диаграммы – 1 оборот за 24 часа. Двигатель привода диаграммы включается общим переключателем прибора. 

     3.4.5 Устройство записи. 

     В приборах установлена система для осуществления длительной записи.

     Перо  связано с указателем через шестерню реохорда и зубчатый сектор. Правильное положение пера на диаграммном диске  устанавливается специальным регулировочным винтом, смещающим держатель пера по отношению к рычагу.

     Перо  можно снимать с держателя, на который оно насажено. Чернила  наливаются в чернильницу, откуда по капилляру подаются на бумагу. Качество записи зависит от уровня чернил в  чернильнице и может регулироваться изменением уровня. Например, при записи во всем диапазоне необходимо следить, чтобы уровень чернил совпадал с положением пера на середине диаграммного диска. По мере расходования чернил рекомендуется поднимать чернильницу.

     В случае засорения или попадания  в капилляр воздуха систему записи следует продуть через выступающий отвод в пробке чернильницы.

      3.5 Порядок установки. 

     Прибор  должен быть установлен в хорошо освещенном помещении с чистым и сухим  воздухом и незначительно меняющейся температурой. Желательно иметь вокруг щита, на котором установлен прибор, застекленную перегородку, отделяющую его от остальной части помещения.

     Прибор  КСМ3-ПИ должен быть установлен только вне взрывоопасных помещений.

     Для удобства обслуживания ось указателя  должна находиться на высоте 1.4 - 1.6 м  от уровня пола.