Автоматический уравновешенный мост

Уравновешенный мост предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры. Он работает в комплекте с термометрами сопротивлений стандартных градуировок, т.е. имеет соответствие заданного предела измерения – градуировки термометра сопротивлений. Это означает, что каждому прибору соответствует определенная группа термометров сопротивлений единой градуировки. Сущность действия термометров сопротивления основана на зависимости его электрического сопротивления от температуры.

Принципиальная измерительная схема рассматриваемого прибора –мостовая. Измерения неэлектрических величин электрическими методами очень широко распространены в электротехнике и автоматике. Мостовой измерительной схемой пользуются более 100 лет, а возможность измерения и физическая сущность работы ее впервые рассмотрены в работах французского исследователя Шарля Кристи (1831 г.) и примерно в эти же годы английским исследователем Уинстоном.

Многообразие мостовых схем базируется на классической мостовой схеме, которая представляет собой кольцо сопротивлений (рис. 3.1). Сопротивления соединены так, что образуют вершины моста a, b, c и d, диагональ питания ас и диагональ измерения bd.

Рис. 3.1. Схема равновесного моста:

R₁, R₂, R₃, R₄ – резисторы; ac – диагональ питания;

bd – диагональ измерения

Измерение основано на соблюдении определенного соотношения между сопротивлениями (плечами) моста, называемого условием равновесия.

Под условием равновесия подразумевается такое соотношение сопротивлений моста, при которой на вершинах измерительной диагонали разность потенциалов U_bd = 0 и в цепи измерения отсутствует выходной сигнал. Состоянию U_bd = 0 соответствует равенство падений напряжений соответственно в прилежащих плечах, т.е.

U₁ = U₄ и U₂ = U₃. (3.1)

По закону Ома

U₁ = I₁R₁; U₂ = I₁R₂; U₃ = I₂R₃; U₄ = I₂R₄. (3.2)

Подставляя в равенство падений напряжений (3.1) их значения, выраженные через токи и сопротивления (3.2), и поделив почленно, получаем:

I₁R₁/I₁R₂ = I₂R₄/I₂R₃ (3.3)

или, сократив значения токов I₁ и I₂, имеем равенство:

R₁R₃ = R₂R₄, (3.4)

которое называется классическим условием равновесия мостовой схемы, читаемое так: "Если произведения сопротивлений противолежащих плеч мостовой схемы равны между собой, то на вершинах измерительной диагонали отсутствует разность потенциалов". Этот метод называется нулевым методом измерения сопротивлений.

Принципиальная схема равновесного моста приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Измерительный мост:

R_р – реохорд; НИ – нуль-индикатор

Медный или платиновый термометр сопротивления R_t, электрическое сопротивление которого должно быть измерено, включается в одно из плеч моста при помощи соединительных проводов, имеющих сопротивления R. Другие плечи моста состоят из постоянных манганиновых сопротивлений R_мг и переменного калиброванного сопротивления реохорда R_р, выполненного также из манангина. К одной диагонали моста подведено питание постоянного или переменного тока, в другую включен нуль-индикатор. При равновесии моста удовлетворяется равенство:

R₁R_t = R₂R₄, (3.5)

откуда с учетом сопротивлений реохорда запишем:

(R₁+r₁)R_t = (R₂+r₂)R₄. (3.6)

В этом случае разность потенциалов между точками bd равна нулю, ток не протекает через нуль-гальванометр и его стрелка установится на нулевой отметке. При изменении температуры электрическое сопротивление термометра сопротивления изменится и мост разбалансируется. Чтобы восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях R₁, R₂ и R₄ изменить величину сопротивления реохорда, переместив его подвижный контакт.

Таким образом, если откалибровать сопротивление реохорда, то по положению его движка при равновесии моста можно судить о величине сопротивления R₁, следовательно, об измеряемой температуре.

Рассмотрим принципиальную схему автоматического электронного самопишущего равновесного моста переменного тока (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Принципиальная схема электронного равновесного моста

При изменении температуры среды, в которой находится термометр сопротивления, изменится температура термометра и, следовательно, его электрическое сопротивление. Измерительный мост, состоящий из постоянных и переменных сопротивлений (R₁, R₂ и R₄) и питающийся напряжением (6,3 В) от одной из обмоток силового трансформатора, разбалансируется, и в диагонали моста между точками b и d появится напряжение небаланса U_bd. Последнее подается на вход электронного усилителя (ЭУ), где усиливается по напряжению и мощности, затем поступает на реверсивный двигатель РД и приводит в движение его ротор. Вращаясь в ту или иную сторону, в зависимости от знака разбаланса, ротор реверсивного двигателя перемещает механически с ним связанные движок реохорда R_p, стрелку и перо по шкале прибора до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия. Напряжение на входе электронного усилителя (ЭУ) в этом случае станет равным нулю, электродвигатель РД остановится, а прибор покажет измеряемую температуру.

Точность показаний прибора зависит от подгонки сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с автоматическим равновесным мостом. Для подгонки сопротивлений соединительных проводов до градуировочного значения служат сопротивления R_y и R¢_y величиной до 2,5 Ом каждое. При градуировке приборов сопротивление каждого провода, идущего от термометра до прибора, принято (2,5±0,01) Ом. Если сопротивление каждого провода будет меньше 2,5 Ом, то в соединительную линию последовательно включается добавочное сопротивление, дополняющее сопротивление каждого провода до 2,5 Ом.

В производственных условиях термометр сопротивления может находиться на значительном удалении от вторичного прибора, при колебаниях температуры среды величина их сопротивления будет изменяться, что приведет к дополнительной погрешности в показаниях автоматического равновесного моста. Для устранения погрешности применяется трехпроводная схема соединений термометра сопротивления с вторичным прибором, заключающаяся в том, что точка с (рис. 3.4) переносится непосредственно к термометру сопротивления. При таком соединении сопротивление провода прибавляется к плечу измерительного моста, а сопротивление к плечу с постоянным сопротивлением. Тогда условие равновесия мостовой схемы будет иметь вид:

(R₁+rR₁)(R_t+ ) = (R₂+rR₂+ )R₄. (3.7)

Измерительная схема автоматического равновесного моста может также питаться от сухой батареи постоянного тока или от аккумулятора с напряжением 1,2-1,5 В. В таком случае электронный усилитель прибора должен иметь вибропреобразователь для преобразования сигнала небаланса постоянного тока в переменный с целью его последующего усиления.

Рис. 3.4. Трехпроводная схема соединения термометра сопротивления

В связи с этим равновесные мосты постоянного тока применяются при возможном появлении в измерительной цепи различных наводок (например, при монтаже термометра сопротивления в электропечах или местах с большими магнитными полями). Кроме того, мосты постоянного тока используют в тех случаях, когда по условиям эксплуатации приборов и пожарной безопасности их питание осуществляется маломощными источниками постоянного тока.

Конструктивно автоматический самопишущий равновесный мост представляет собой стационарный прибор, все узлы которого размещены внутри стального корпуса. Запись показаний осуществляется на диаграммной бумаге, перемещаемой синхронным двигателем.

Промышленность выпускает показывающие и записывающие на дисковой диаграмме автоматические равновесные мосты, показывающие и записывающие на ленточной диаграмме мосты КСМ2, КСМ3, КСМ4, показывающие мосты с вращающейся шкалой и другие модификации. Принципиальные схемы их подобны рассмотренной схеме автоматического равновесного моста и отличаются только конструкцией отдельных узлов.

Однако рассмотренный выше тип электронного прибора имеет и ряд недостатков:

малый диапазон измерения температуры (до 600 ^оС);

термометр сопротивления, устанавливаемый в технологических
аппаратах, должен размещаться в объеме продукта;

вторичный прибор не имеет специальных средств взрывозащиты и устанавливается только в помещениях КИПиА.