Компенсационный метод измерения напряжения (ЭДС)
Этот метод является частным случаем метода сравнения с мерой. Его особенностью является то, что в момент уравновешивания (компенсации) от источника сигнала энергия не потребляется.
Применительно в измерения напряжения и ЭДС сущность этого метода состоит в сравнении неизвестного значения названной величины с эталонной величиной (рис. 9).
Измерение неизвестного значения напряжения осуществляется так: с помощью источника эталонного сигнала на проволочке, называемой реохордом, создается бесконечное значение падения напряжения в диапазоне от 0 до Uэ. Передвигая подвижный контакт С по проволочке добиваются такого положения этого контакта, при котором через НП ( НГ) ток протекать не будет. Такое состояние измерительной системы называется компенсацией. НП представляет собой МЭМ, у которого нулевая отметка размещена в середине шкалы (чтобы добиваться положительных и отрицательных изменений тока). В положении компенсации справедливо (ф.*) – падение напряжения на отрезке АС равно напряжению измеряемому. (Ф.1-4). Если использовать уравнение конденсации и закон Ома (ф.1) для отрезка цепи, а также учесть, что r и R можно при постоянном удельном сопротивлении единицы длины проволоки (ро) (ф.2,3), то получаем, что момент равновесия положением движка реохорды на шкале l однозначно определяется измеряемое напряжение Ux. Надо помнить, Что в данном методе осуществляется сравнение потенциалов, поэтому этот метод называют потенциометрическим, а приборы, реализующие этот метод – потенциометрами. Как видно, в момент компенсации по проводам, соединяющим источник измеряемой величины Ux с реохордом, ток не протекает. А это означает, что из объекта измерений энергия не потребляется в момент компенсации. Отсутствие тока имеет и другие положительные моменты : если объект измерений находится на значительном удалении от измерительного прибора.
То в соединяющих проводах при наличии тока возникает падение напряжения. Как правило, провода изменяют под действием температуры, поэтому падение напряжения может быть различным. Компенсационный метод полностью исключает возможные погрешности, связанные с изменением сопротивления проводов т.к. при компенсации ток равен нулю.
Две схемы потенциометра ( рис. 10)
Схема а) – потенциометр с постоянным током, схема б) – потенциометр с изменяемой силой рабочего тока. В схеме а) устанавливается постоянное значение рабочего тока, протекающего через реохорду, только при этом значении тока измерения будут корректны. Процедура измерения аналогично рассмотренной в методе компенсационного измерения напряжения. Реохорд выполняется в виде проволочки 1, покрытой лаком, диаметром 1,5-2 мм, на которую наматывается тонкая, покрытая эмалью манганиновая проволочка, диаметром 0,06-0,1 мм. Манганин – сплав, у которого температурный коэффициент сопротивления близок к нулю. Т.е. сопротивление реохорды практически не изменяется с изменением температур. Сверху на снимает лак с помощью тонкой наждачной пленки, тем самым обеспечивается электрический контакт между витками реохорда и подвижным движком 4.Схема б) – потенциометр с изменяемым значением рабочего тока. С помощью резистора Rр изменяется значение тока, протекающего по контору и через постоянный манганиновый резистор r до тех пор, пока стрелка НГ не установится на нулевой отметке. Это соответствует моменту компенсации. Измеряемое напряжение равно падению напряжения на резисторе R, которое создается переменным рабочим током. Значение тока определяется по миллиамперметру. Первая схема применяется в автоматических электронных потенциометрах, а вторая в нормирующих преобразователях напряжения (ЭДС).
Схема и работа автоматического электронного потенциометра (рис. 11)
Он содержит резисторы, изготовленные из манганина.
Rв – определяет верхний предел измерений, Rн- нижний предел измерений, Rр – сопротивление реохорда, Rн – постоянное сопротивление. Он имеет 2 контура 1 и 2, которые питаются от одного стабилизированного источника питания ИПС, который собран на полупроводниковых стабилитронах. Электрически в потенциометре измеряемое напряжение складывается с падением напряжения на Rм, а затем сравнивается с падением напряжения на отрезке ав. Принципиально это так же, как и в потенциометре с постоянной силой рабочего тока. (ф.1).Роль НГ выполняет ЭУ. Если условие равновесия не выполняется, то через входную цепь электронного усилителя протекает ток в том или ином направлении. В усилители для стабильности работы и возможности управления РД входная разность потенциалов преобразуется в переменный ток. Этот сигнал усиливается усилителем переменного тока, что может выполнить с высокой точность, а выходной сигнал подается на обмотку управления стартера РД. РД представляет собой асинхронную микромашину, которая в зависимости от фазы напряжения, поступающего в обмотку, способна поворачивать ротор в двух противоположных направлениях. Это обеспечивается наличием ещё СО. Именно взаимодействие магнитных полей в обмотках управления и СО и позволяет ротору вращаться в том или ином направлении. Ротор двигателя механически соединен с движком реохорда Др и будет перемещать этот движок, пока без статической ошибки не будет выполняться приведенное выше условие равновесия. Т.е. это сочетание представляет собой следящую систему астатического регулирования, а именно только интегратор способен изменять выходную величину пока на входе усилителя сигнал не станет равным нулю (признак астатической системы регулирования). По положению движка реохорда определяется значение измеряемого напряжения. В самопишущих приборах имеется диаграммная лента, на которой с помощью пера или коленки с печатающим устройством регистрируется текущее значение измеряемого напряжения. Диаграммная лента приводится во вращательное движение с постоянной скоростью с помощью синхронного двигателя СД. Прибор может быть рассчитан на измерение нескольких напряжений, для этого он комплектуется спец. Механическим Ком, к которому могут подключаться 2,6…36 источников напряжения ИН или ЭДС. В приборах, рассчитанных на измерение напряжение Rн изготавливаются из манганина, а в потенциометрах, нужных для работы с термоэлектрическими преобразователями это сопротивление изготавливается из меди и способно изменять свое значение в зависимости от температуры. Для контроля работы ИПС в контуре 2 имеется Rк, к которому подключается эталонный прибор и определяется падение напряжения на них. Если оно отличается от стандарта, то с помощью Rд оно доводится до стандартного значения. Такие потенциометры выпускаются разные: показывающие, самопишущие, миниатюрные, нормальные, одноточечные, многоточечные (вместо пера применяется специальная печатающая головка, которая на диаграммной ленте оставляет цифры). Классы точности 0,25 0,5 1 1,5. Выпускаются потенциометры с дисковой диаграммой.
Нормирующий преобразователь напряжения (ЭДС).(рис. 12)
Они нужны для ввода информации о сигналах разных датчиков, которые имеют ток и напряжение. Вычислительны машины, САУиР, работающие на пневматической и гидравлической энергии. Эти преобразователи реализуют схему потенциометра с изменяемой силой рабочего тока. ЭПП- электропневматический преобразователь, ЭГП-электрогидравлический преобразователь. Данный преобразователь работает так. Когда на вход подается измеряемое напряжение или ЭДС, то в отсутствии тока во внешнем контуре сигнал, поступающий на усилитель, будет максимальным. Поэтому выходной сигнал тоже будет максимальным. Этот сигнал создает ток во внешней цепи, который протекает через сопротивление нагрузки Rн и дополнительные устройства (электропневматический преобразователь, ЭГП), а также через постоянный резистор R. При этом на резисторе возникает падение напряжения.
Постепенно разность между Uвх и падением напряжения на резисторе уменьшается (это происходит не мгновенно, а некоторое время, имеет место переходный процесс). По окончании этого процесса на входе УсПР сигнал становится дельта u и изменение тока в цепи прекращается. Если использовать УсПР с большим коэффициентом усиления, то формула 1 может привести к формуле 2, а затем из неё определить ток, как видно из формулы 3 ток во внешней цепи пропорционален преобразуемому напряжению. УсПР обычно собирается по схеме модуляции Д-модуляции, а именно постоянная входная разность потенциалов преобразуется в знакопеременную, затем усиливается Усилителем переменного тока и преобразуется из переменной в постоянную, Получая Uвых. В работе преобразователя можно выделить важный фактор. Что причиной выходного сигнала является наличие на входе небольшой разности потенциалов дельта u. Она является причиной работы всего устройства, которое представляет собой статическую САР. Если предположить, что дельта u равно нулю, то на выходе усиления сигнал тоже будет равен 0 и ток будет равен 0. Это отрицает такую возможность. Выходной токовый сигнал может иметь следующие диапазоны изменений: 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА. Классы точности: 0,1 0,2 0,5 1.Уравновешенные электрические мосты
Они применяются для измерений сопротивлений, в частности активного сопротивления. Активное сопротивление несет информацию и неэлектрических величинах. Известно много чувствительных элементов ( терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы…), значение которых функционально связано с измеряемыми неэлектрическими величинами. В практике технических измерений используется уравновешенный и неуравновешенный мосты. Мостом называют 4 сопротивления, соединенных друг с другом по кольцу (рис. 13).
КАЖДОЕ ИЗ СОПРОТИВЛЕНИЙ МОСТА НАЗЫВАЕТСЯ ПЛЕЧОМ МОСТА. Два сопротивления, имеющие общую точку, называются смежными плечами моста, а сопротивления, не имеющие общий точек, - противоположные плечи моста.
Точки а, с , к которым подключен источник питания называются питающей диагональю моста. А точки в,d, к которым подключен нуль-прибор, - измерительная диагональ моста. Измеряемое сопротивление Rx – одно из плеч моста и подключается к ним с помощью проводников. Измерение сопротивления Rx осуществляется так: если значение Rx изменяется от некоторого начального, то на измерительной диагонали моста возникает некоторая разность потенциалов (разбаланс моста). В этом случае по диагонали начинает протекать ток, отличный от нуля. Изменяя положение движка R2 до тех пор, пока стрелка нуль-прибора не установится на ноль, когда ток через нуль-прибор не станет равным нулю, добиваются равновесия моста. А значение искомого сопротивления определяют по положению стрелки на шкале, которой снабжен переменный резистор R2. Все описывается формулами. Для положения равновесия справедливо (1-3). Те же уравнения можно записать через токи ( 4-5). Получили равенство токов ( 6). Проводя преобразования, и учитывая равенство токов, находим формулу ( 7 ) – условие равновесия моста. В состоянии равновесия моста, произведения сопротивлений противоположных плеч моста равны. Это условие выполняется при любых значениях напряжения питания, т.е. для уравновешенных мостов нет необходимости использовать стабилизированные источники питания. Этим определяется их распространенность. Если мост состоит из активных сопротивлений, то условие равновесия справедливо для постоянного и переменного напряжения. При R1=R3 получим (9) – для малой протяженности проводов. Из (9) следует, что по R2 можно судить о Rx, при условии, что Rпр не изменяется. Такое условие соблюдается только в тех случаях, когда протяженность проводников незначительна. На промышленных предприятиях протяженность может быть 100-300 метров, поэтому результат измерений оказывается неоднозначным, а именно то ли изменяется сопротивление проводников. Или изменяется Rx. Для исключения такой погрешности применяются специальные схемы.