8.1 Вторичные измерительные приборы.

Общие сведения

Основное назначение измерительных приборов – визуальное указание контролируемого параметра, регистрация его значения на различных носителях, выработка сигнала текущего значения для системы регулирования. Некоторые вторичные приборы содержат контактную группу для сигнализации предельных значений параметра и интегратор.

Измерительные приборы классифицируются по нескольким признакам:

• по виду представления результатов измерения – аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные);

• по виду структурной схемы – приборы прямого измерения и приборы, работающие по принципу компенсации;

• по виду используемой энергии – электрические, пневматические и гидравлические приборы.

Основные характерные черты аналоговых приборов прямого измерения – маломощный выходной сигнал, способный переместить только стрелку относительно шкалы и отсутствие обратной связи. Примеры таких приборов -логометры, вольтметры, амперметры и пр.

Наибольшее промышленное распространение получили электрические измерительные приборы, работающие по компенсационному принципу с соответствующими преобразователями: с дифференциально-трансфор-маторной и ферродинамической измерительными схемами; с автоматическими мостовыми схемами (мосты переменного тока и потенциометры). Данные приборы часто называют вторичными приборами.

Действие автоматических вторичных приборов (рис. 8.1) основано на том, что измеряемая величина, формируемая с помощью первичного преобразователя (ПП) и передаваемая на прибор в виде сигнала Е_вх компенсируется противофазным сигналом Е_к, который образуется в самом приборе с помощью обратной связи, реализованной с помощью компенсационного преобразователя (КП).

Для реализации указанного принципа автоматические вторичные приборы содержат измерительную схему, на рисунке показанную как элемент сравнения (ЭС), фазочувствительный усилитель (ФУ), реверсивный двигатель (РД), компенсационный преобразователь (КП) и систему регистрации показаний (стрелка, записывающее устройство, шкала).

Работа приборов проста, рассмотрим ее подробнее, так как она справедлива для всех видов вторичных компенсационных приборов.

В исходном стационарном состоянии Евх = Ек, т.е. Е = 0, так как сигналы находятся в противофазном состоянии. Ротор двигателя неподвижен. При изменении входного сигнала на элементе сравнения возникает Е, который после усиления управляет работой двигателя. Последний в зависимости от фазы сигнала перемещает рабочий элемент компенсационного преобразователя в ту или иную сторону до тех пор, пока не наступит равенство Евх = Ек. Управляющий двигателем сигнал исчезает, ротор РД и показывающая стрелка прибора останавливается в новом положении, фиксирую новое значение контролируемого параметра.

Вторичные приборы выпускаются показывающими, показывающими и самопишущими. Такие приборы могут оборудоваться одним или несколькими дополнительными устройствами: контактными группами, используемыми для сигнализации или простейшего релейного регулирования, преобразователями перемещения для передачи информации на дополнительный вторичный прибор или на регулятор, интеграторами (счетчиками). Некоторые приборы имеют встроенные пневматические регуляторы.

В динамическом отношении вторичные приборы можно рассматривать, как апериодические звенья первого порядка, а в случае анализа систем регулирования с инерционным объектом допустимо их принимать как усилительное звено.

Общепромышленные вторичные приборы

Дифференциально-трансформаторные и ферродинамические измерительные приборы. Измерительные схемы этих приборов построены на дифференциально-трансформаторных (рис. 8.2,а) и ферродинамических (рис. 8.2, б) преобразователях перемещения.

Типичным представителем первой группы является широко применяемые в промышленности приборы серии КСД. Вторая группа представлена приборами серии ВФС, выпускаемыми Харьковским заводом КИПиА. Приборы снабжены устройствами регистрации контролируемых параметров на дисковой либо ленточной диаграмме.

Работы этих приборов полностью соответствует рассмотренному выше принципу.

Отметим наличие в схеме прибора КСД вспомогательной кнопки (К), служащей для контроля исправности прибора. При нажатии на кнопку шунтируется цепь первичного преобразователя, и двигатель прибора приводит систему к стационарному режиму (U = 0), при этом сердечник компенсационного преобразователя (2) перемещается в нейтральное положение, а стрелка занимает строго определенное положение, показывая тем самым, что система прибора работоспособна.

Автоматические мосты переменного тока. Работают с первичными R-преобразователями (терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы и пр.). Отметим, что наименование "мосты переменного тока" характеризуют, что мостовая измерительная схема приборов питается напряжением переменного тока.

Общий принцип работы мостовой измерительной схемы рассмотрен в разделе 6.. Рассмотрим работу автоматического моста на примере измерения температуры среды с помощью терморезистора.

На рис. 8.3 приведена упрощенная схема контроля температуры с помощью терморезистора (R_t) и автоматического моста переменного тока серии КСМ.

Мостовая схема здесь образована резисторами: R₁, R₂, R₃ (активные резисторы плеч моста), R_t (датчик температуры, терморезистор) и R_р (переменный резистор, именуемый реохордом, движок которого перемещается двигателем РД).

Для ликвидации влияния сопротивления проводов (R_л), зависящее от температуры окружающей среды, подключение термодатчика осуществляется по трехпроводной линии. Тем самым R_л1 и R_л2 оказываются в противоположных плечах моста, и их изменение не влияет на его равновесие.

Работа прибора. При изменении контролируемой температуры (меняется величина R_t) мост становится неуравновешенным, между точками "А" и "Б" возникает напряжение (U), которое после усиления управляет реверсивным двигателем (РД), ротор последнего перемещает движок реохорда (R_р), следовательно, и точку "Б" до установления равновесия моста (U=0). Кинематически связанные с ротором двигателя регистрирующие элементы прибора (стрелка, перо) указывают новое значение температуры.

В некоторых модификациях прибора имеется встроенный дополнительный преобразователь (ДП), связанный с ротором двигателя, для передачи информации в систему регулирования.

Автоматические потенциометры. Служат для контроля малых значений напряжений (эдс) постоянного тока. В качестве первичного датчика могут быть термопары, пьезопреобразователи и пр. На рис. 8.4 представлена схема подключения термопары к автоматическому потенциометру типа КСП.

Измерительная схема состоит из моста постоянного тока со стабилизированным источником питания и последовательно с ним подключенной термопарой (ТП).

С целью возможности использования усилителя переменного тока, снимаемое с измерительной схемы постоянное напряжение (U) с помощью преобразователя (П) формируется в переменное.

Из схемы видно, что на вход преобразователя поступает напряжение:

U = U_АБ – Е_х,

где U_АБ – напряжение, снимаемое с диагонали моста;

Е_х – напряжение, вырабатываемое термопарой.

Работа прибора понятна из схемы. Принцип компенсации здесь реализован путем формирования в диагонали моста компенсирующего напряжения (U_АБ), включенного навстречу термоэдс (Е_х).

На схеме показаны дополнительный преобразователь (ДП), сигнал которого может использоваться в системе регулирования и контактная группа (КГ) для целей сигнализации, блокировки и релейного регулирования, которые встраиваются в некоторые модификации потенциометров типа КСП.

В заключене отметим, что в развитии аналоговых вторичных приборов наблюдаются две тенденции: это создание более простых, малогабаритных, но надежных и дешевых приборов для АСУТП, где они выполняют роль удобных для оператора устройств представления информации и связующих элементов между датчиками и ЭВМ, и создание высокоточных, быстродействующих и многопредельных вторичных приборов для целей исследования объектов.