Расчет и выбор схем измерительных преобразователей температуры судовых информационно-измерительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Факультет судовой энергетики

Кафедра «Основы судовой электроэнергетики»

Расчет и выбор схем измерительных преобразователей температуры судовых информационно-измерительных систем

Выполнил: Васильева Э.Г.

Санкт-Петербург 2020

Задание

1. Определить основные параметры мостовой схемы: R₂, R₃, R₄, R_вн, R_вых, U_cd, I_y, U₀, E₀, S, Д.

2. Вычислить питающее напряжение - U₀, с учетом допустимой мощности рассеивания в измеряемом сопротивлении (терморезисторе).

3. Рассчитать максимальную выходную мощность в указательной диагонали, с учетом заданной погрешности при измерении температуры.

4. Найти зависимость тока в указателе I_yот изменения сопротивления первичного преобразователя (терморезистора).

5. Исследовать характер шкалы магнитоэлектрического преобразователя.

Таблица 1 Данные

При расчете и выборе параметров первичного преобразователя исследуем схему измерительного моста постоянного тока, изображенного на рисунке:

Рис. 1

Расчет

Для расчета основных параметров мостовой схемы учитывается условие равновесия моста: R₁R₃=R₂R₄; U_ac=U_cd, U_bc=U_bd. Вместе с тем известно, что равновесие моста наступает в момент, когда температура, измеряемая терморезистором равна 0 °C. Для получения наибольшей чувствительности шкалы измеряемого прибора, при появлении тока в выходной диагонали моста, т.е. выходе моста из состояния равновесия, используются пропорции, определяющие сопротивление резисторов в каждом плече диагонали:

Используя пропорции, получим значения сопротивлений в плечах моста:

Ом

Ом

Ом

Ом

Из условий равновесия моста известно, что тока в выходной диагонали нет, следовательно, зная сопротивление R₁₍₀₎и R₂, а так же ток, проходящий через них можно получить входное напряжение U_ab:

В

Теперь можно рассчитать ток I₂, проходящий через известные резисторы R₃и R₄и зная напряжение U_ab:

А

Используя I закон Кирхгофа находим ток в питающей диагонали моста I₀:

А

С помощью закона Ома для активного участка цепи находится величина источника ЭДС E₀:

В

Для вычисления входного сопротивления мостовой схемы R_ab применяется метод преобразования треугольника в эквивалентную ему звезду:

Рис. 2

Ом

Ом

Ом

Ом

Действуя аналогичным образом находятся выходные сопротивления моста R_cd:

Ом

Ом

Находится ток в выходной диагонали (указателе):

А, где В

Особое значение имеет чувствительность, так как выходной сигнал является измеряемой величиной и поэтому должен быть достаточным для приведения в действие прибора, требуемого класса точности. При изменении измеряемой температуры изменяется сопротивление терморезистора на определенную величину ДR₁с учетом заданной погрешности R₁=R₁₍₀₎(1+бДt)=251.613 Ом, отсюда Ом

В итоге получается эквивалентная схема с двумя источниками ЭДС E₀и eпри этом сохраняются условия равновесия моста.

Вследствие этого входное напряжение от источника E₀ не влияет на ток в указателе, при этом примет вид на представленный на рис. 4. Лучшей передаче энергии требует согласование сопротивлений, т.е. равенство входного сопротивления четырехполюсника внутреннему сопротивлению генератора. При этом максимальная мощность, отдаваемая генератором будет:

Рис. 3

Вт,

В

Таким образом, мощность в указателе достигает максимального значения (ДP_y)_max=ДP₀в случае, если n=0 (R₄=0); m=0 (R₂+R₄)=?. Следовательно:

Вт, где

Такое условие моста, с точки зрения чувствительности, приводит к резкому возрастанию мощности, потребляемой всей мостовой схемой: P=P₁+P₂+P₃+P₄

Вт

Вт

Вт

Вт

Таким образом: P=0,88375 Вт

Эта формула позволяет найти величину возможной мощности в индикаторной диагонали и для любых других соотношений плеч моста. Сопоставляя ДP₀и ДP_yполучаем, что при n=0,03 и m=0,03 различие между ними не превышает 6%. Это необходимо иметь в виду, так как нередко возникают случаи, когда допускают ошибку, полагая без всяких оговорок, что оптимальным является равноплечий мост. В настоящее время широкое применение в судовых ИИС находят измерения температуры в значительных диапазонах с обеспечением требуемой точности. Требования упрощения производства измерения и увеличения его скорости обеспечивает использование на судах неуравновешенных мостов.

Анализ неуравновешенных мостов должен включать исследование характера изменения тока в диагонали моста, а также определение чувствительности мостовой цепи. Для этого нужно расчетным путем найти зависимость тока в диагонали моста от изменения сопротивления одного из плеч термометра сопротивления R_к. Воспользуемся выражением для тока в диагонали I_y. Составляется схема моста:

Сопротивление R₁ равно сопротивлению терморезистора R₁₍₀₎ при 0 °C.

=R₁₍₀₎(1+бТ)

Приращение R определяется диапазоном заданных изменений температуры с учетом материала терморезистора. Для:

?70 °C: Ом

+20 °C: Ом

Рис. 4

+/- R=R₁¹- R₁₍₀₎

_{-R = -8,424 Ом}

_{+ R = 2,106 Ом}

Для питающего напряжения U₀ имеем:

В

Ток I_y определяем по формуле:

,

;

Ом

Ом

Имеем для:

?70 °C: А

+20°C: А

Так как aи b постоянные величины, то делается вывод, что I_y является функцией изменения приращения сопротивления R. Построим эту зависимость в виде графика, его значения определяют все параметры моста (рис. 6). При построении этой кривой получаем чувствительность шкалы указателя:

,

Где S₀ чувствительность в нулевой точке:

Определяем входное сопротивление относительно зажимов a' a". Обозначим это сопротивление через R_a.

Ом

Отклонение кривой I_y=f(R) от закона прямой линии определяет степень неравномерности шкалы:

,

где:

Для:

?70 °C: А

+20 °C: А

Следовательно, отрезки EFи E'F'определяются:

А (для ?70 °C)

А (для +20 °C)

Рис.5

Полученные результаты оформляются графически в виде номограммы (рис. 6), пользуясь проективным построением. Для определения шкалы неуравновешенного моста вычисляются значения R_a, Ом и S₀R_a, мА. Вращая прямую lвокруг этого полюса в соответствии с заданными значениями R, находим соответствующее значение тока I_y. Точки пересечения абсцисс сопротивления и ординат являются точками кривой I_y=f(R), непосредственно представляющей зависимость тока в диагонали мостовой схемы. Если обозначить угол наклона полупрямой lк оси абсцисс через б, то он будет определяться исключительно чувствительностью в нулевой точке: tgб=S₀. Чем больше этот угол, тем чувствительнее схема.

Рис. 6

сопротивление температура мощность терморезистор

Список использованной литературы

1. Быков А.С., Семёнов С.П., Устинов А.А. Метрология, стандартизация и сертификация, учебник, СПб, ГУМРФ, 2015

2. Байков П.М. Приборы управления и внутрисудовая связь: Учебник. - М.: Транспорт, 1983.

3. Штумпф Э.П. Пожарная сигнализация на судах. - Л.: Судостроение, 1982.

4. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат (Ленингр. отд.), 1987.

5. Токарев Л.И. Судовые электрические приборы управления. - М.: Транспорт, 1988.

6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1988.

7. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат (Ленингр. отд.), 1983.

8. Электрические измерения: Учебное пособие / Под. ред. В.Н. Малиновского. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие. - М.: Логос, 2000.

Размещено на Allbest.ru