Автоматизация технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО "Государственный аграрный университет Северного Зауралья"

Механико-технологический институт

Кафедра "Энергообеспечение сельского хозяйства"

Дисциплина "Автоматика"

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Автоматизация технологических процессов

Выполнил: Михневич М.В.

Студент 3 курса ЛБ-ЭЭ32зс группы

Специальность "Агроинженерия"

Руководитель: Якушев И.В.

Тюмень - 2014

Содержание

Введение

1. Источники питания устройств электроавтоматики

2. Измерительные схемы: общие сведения, компенсационная схема

3. Синтез систем дискретной автоматики

Список литературы

Введение

Автоматизация производства - это процесс, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Автоматизация - это основа развития современной промышленности, генеральное направление научно-технического прогресса. Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства. Различают автоматизацию производства: частичную, комплексную и полную.

При частичной автоматизации часть функций управления производством автоматизирована, а часть выполняется рабочими-операторами (полуавтоматические комплексы). Как правило, такая автоматизация осуществляется в тех случаях, когда управление процессами в следствие их сложности или скоротечности практически недоступно человеку.

При комплексной автоматизации все функции управления автоматизированы, рабочие-операторы только налаживают технику и контролируют её работу (автоматические комплексы). Комплексная автоматизация требует применения таких систем машин, оборудования, вспомогательной техники, работа которых превращает исходные материалы в готовый продукт без физического вмешательства человека.

Полная автоматизация производства - высшая ступень автоматизации, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам управления.

Развитие автоматизации производства можно условно подразделить на три этапа.

Первый этап автоматизации охватывает период времени с начала XVIII до конца XIX столетия. В 20-е годы XVIII столетия в России А.Нартовым был разработан автоматический суппорт для токарно-копировального станка. В 1765 г. русским механиком И.И. Ползуновым - творцом первой паровой машины универсального назначения - был создан первый в мире промышленный автоматический регулятор для поддержания постоянного уровня воды в котле паровой машины. Измерительный орган - поплавок, находящийся на поверхности воды, перемещаясь, изменял подачу жидкости, идущей по трубе в котёл через отверстие клапана. Если уровень воды поднимался выше положенного, то поплавок, перемещаясь вверх, закрывал клапан и подача воды прекращалась. В регуляторе Ползунова была реализована идея, являющаяся и поныне центральной в устройствах автоматического регулирования. В 1784 г. английским механиком Дж. Уаттом также для паровой машины был разработан центробежный регулятор скорости. В течение всего XIX столетия происходило совершенствование регуляторов для паровых машин. На первом этапе развития автоматизации были попытки создания автоматических станков и линий с жёсткой кинематической связью.

Следует отметить, что развитие автоматизации производства в этот период времени основывалось на принципах и методах классической механики.

Второй этап развития автоматизации производства охватывает период времени конец XIX и середина XX столетия. Этот этап связан с развитием электротехники и практическим использованием электричества в средствах автоматизации. В частности, важное значение имеет изобретение П.Л. Шиллнгом магнитоэлектрического реле (1850 г.) - одного из основных элементов электроавтоматики, разработка Ф.М.Балюкевичем и др. в 80-х г.г. XIX столетия ряда устройств автоматической сигнализации на ж.-д. транспорте, создание С.Н.Апостоловым-Бердичевским и др. первой в мире автоматической телефонной станции.

К началу XX века относится широкое развитие и использование электрических систем автоматического регулирования. Индивидуальный привод отдельных рабочих органов машин и введение между ними электрических связей существенно упростили кинематику машин, сделали их менее громоздкими и более надёжными. Будучи более гибкими и удобными в эксплуатации, электрические связи позволили создать комбинированное электрическое и механическое программное управление, обеспечивающее автоматическое выполнение неизмеримо более сложных операций, чем на машинах-автоматах с механическим программным устройством. Для второго этапа развития автоматизации характерно появление электронно-программного управления: были созданы станки с числовым программным управлением, обрабатывающие центры и автоматические линии, содержащие в качестве компонента оборудование с программным управлением.

Сороковые-пятидесятые годы XX столетия ознаменовались началом бурного развития радиоэлектроники. Электронные устройства обеспечивают более высокие быстродействия, чувствительность, точность и надежность автоматических систем. Наступил третий этап развития автоматизации с широким использованием управляющих ЭВМ, которые для каждого момента времени рассчитывают оптимальные режимы технологического процесса и вырабатывают управляющие команды по всем автоматизируемым операциям.

Переходом к третьему этапу развития автоматизации послужили новые возможности ЧПУ, основанные на применении микропроцессорной техники, что позволило создавать принципиально новую систему машин, в которой сочетались бы высокая производительность автоматических линий с требованиями гибкости производственного процесса. Современные микроэлектроника и ЭВМ позволяют достичь высшего уровня автоматизации.

электроавтоматика дискретная микропроцессорная микроэлектроника

1. Источники питания устройств электроавтоматики

Для электропитания задатчиков, регуляторов, различных электронных и электромагнитных устройств автоматики используют источники питания переменного и постоянного тока. Они должны обеспечивать стабильность тока I, напряжения U, частоты f и других величин и параметров. Различают источники питания переменного тока, работающие на промышленной f = 50 Гц (рисунок 1, а) и несущей частотах (рисунок 4.1, б) (повышенной - f = 400, 600 Гц и высокой - десятки, сотни и тысячи килогерц).

Рисунок 1 - Схемы источников питания: а - на промышленной частоте 50 Гц; б - на несущей частоте; в - постоянного тока.

Напряжение в источниках питания переменного тока промышленной частоты стабилизируется параметрическим стабилизатором СТ (полупроводниковыми стабилитронами, феррорезонансными стабилизаторами) или компенсационными стабилизирующими системами с отрицательной обратной связью.

Источники питания постоянного тока обычно состоят из трансформатора Т, выпрямителя В, фильтра Ф и стабилизатора СТ (рисунок 1, в). В зависимости от условий работы и назначения в источнике питания могут отсутствовать некоторые элементы, за исключением выпрямителя.

Для поддержания постоянства напряжения на нагрузке при изменяющихся напряжении промышленной сети и токе нагрузке в источниках постоянного тока используют полупроводниковые стабилизаторы напряжения. Например, для питания большинства логических элементов (интегральных микросхем), применяющихся в системах электроавтоматики, необходимо напряжение питания Uпит = 5В ± 5%, тогда как напряжение питающей промышленной сети переменного тока соответствует U = 220 ± 10%. Дополнительным возмущением на источник питания постоянного тока является изменение тока нагрузки. Для стабилизации напряжения постоянного тока используют линейные и импульсные транзисторные стабилизаторы.

Источники постоянного тока

Для преобразования переменного тока в постоянный используют схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления на полупроводниковых диодах. Однополупериодные схемы выпрямления (рисунок 2, а) характеризуется:

средним напряжением на нагрузке

Uн.ср.1 = 0,45 U2,

где U2 - напряжение вторичной обмотки трансформатора;

максимальным обратным напряжением на диоде

Uобр. max.1 = U2 = U2max,

где U2max - амплитуда напряжения U2;

средним током через диод

Iн.ср.1 = Uн.ср./Rн,

где Rн - сопротивление нагрузки.

Рисунок 2 - Схемы выпрямления источников постоянного тока: а - однополупериодные; б, в - двухполупериодные

Двухполупериодные схемы выпрямления для схемы, показанной на рисунке 4.2, б, характеризуется следующими соотношениями:

Uн.ср. = 2 U2/р = 0,9 U2;

Uобр. max2 = 2 U2 = 2 U2 max

Uн. ср 2 = Uн. ср/(2Rн).

Для схемы, показанной на рисунке 1, в, максимальное обратное напряжение на диоде в два раза меньше в сравнении со схемой, показанной на рисунке 2, б:

Uобр. max = U2 max.

Пульсация выпрямленного тока характеризуется коэффициентом пульсации

q = Uн. max / Uн.ср.

Для однополупериодного и двухпериодного выпрямителей соответственно q1п = 1,57, q2п = 0,67. Для сглаживания пульсации на выходе выпрямителя устанавливают фильтр. Наиболее эффективными являются LC-фильтры, рисунок 3, а, б.

Рисунок 3 - Схемы сглаживающих RC-фильтров: а - Г-образный; б - П-образный

Для расчета фильтра задаются коэффициентом пульсации на выходе фильтра, который много меньше единицы (q0<<1). Коэффициент пульсации на входе фильтра

q1 = 2/(m2 - 1),

где m - число фаз выпрямителя. При m = 2 коэффициент q1 = 2/3.

Коэффициент сглаживания фильтра

k = q1/ q0.По значению коэффициента сглаживания определяется произведение емкости и индуктивности фильтра (Гн*Ф) или (Гн*мкФ)

LC = k/10000;

LC = k*102.

Если LC > 500 Гн мкФ, то рекомендуется использовать два последовательно соединенных одинаковых LC - фильтра. Выбирая C = 10 ч 100 мкФ, находят индуктивность L, которая вместе с током нагрузки Iн определяет габаритные р

Устройства для стабилизации напряжения и силы тока

Основными возмущениями, действующими на величину напряжения устройств электроавтоматики, является нестабильность сетевого напряжения и изменение величины нагрузки. Для поддержания стабильных напряжений и силы тока используются устройства, называемые стабилизаторамипеременного и постоянного тока, которые подразделяются на параметрические и компенсационные.

При параметрической стабилизации используется нелинейная зависимость между силой и напряжением в газоразрядных и кремниевых стабилитронах. В компенсационных устройствах стабилизация достигается за счет контроля уровней стабилизируемых величин посредством воздействия обратных связей.

Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации по напряжению либо силе тока, показывающим, во сколько раз относительное изменение напряжения или силы тока на входе стабилизатора выше относительного изменения напряжения или силы тока на его выходе:

К_и = (ДU₁ / U₁) / (ДU₂ / U₂); К₁ = (ДI₁ / I₁) / (ДI₂ / I₂), (4.2.1)

где U1, U2 - напряжение на входе и выходе стабилизатора, В; ДU1, ДU2 - изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора, В; I1 и I2 - сила тока соответственно на входе и выходе стабилизатора, А; ДI1, ДI2 и изменения силы тока на входе и выходе стабилизатора, А.

Рассмотрим принцип действия параметрического стабилизатора напряжения, включающего нелинейный элемент. В качестве нелинейных элементов чаще всего используется полупроводниковые стабилитроны.

Простейшая схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рисунке 4, а. Стабилитрон подключен параллельно нагрузке. Увеличение напряжения U1 вызывает возрастание силы тока нагрузки и, значит, напряжение на стабилитроне. Происходит резкое увеличение падения напряжения на сопротивлении R1. Вследствие этого напряжение на нагрузке Rн вернется к прежней величине. Аналогичная картина наблюдается при изменении величины нагрузки Rн. Для увеличения коэффициента стабилизации в таких устройствах используется каскадное включение стабилизаторов. Коэффициент стабилизации одного каскада такого стабилизатора составляет 20 - 50.

Рисунок 4 - Схемы стабилизаторов: а - параметрического (напряжения); б - параметрического (тока); в - компенсационного (с непрерывной регулировкой напряжения)

В параметрическом стабилизаторе силы тока, рисунок 4.4, б в качестве стабилизирующих элементов используются транзисторы, а также бареттеры. БареттерБ представляет собой чаще всего вольфрамовую нить, запаянную в герметический баллон с водородом. При увеличении температуры, например, от величины силы тока сопротивление нити бареттера возрастает, что позволяет стабилизировать напряжение на зажимах нагрузки Rн. Бареттеры могут использоваться в стабилизаторах как постоянного, так и переменного тока.

В компенсационном стабилизаторе напряжения, рисунок 4, в при увеличении напряжения U1 сила тока Iн увеличивается. При этом напряжение базы Uб1транзистора Т2 усилителя уменьшается, сила тока транзистора Т2 увеличивается и потенциал коллектора этого транзистора, равный потенциалу базы транзистора Т1, также увеличивается. В результате этого регулирующий транзистор Т1 еще больше запирается, его сопротивление возрастает и падение напряжения на регулирующем транзисторе увеличивается, возвращая почти к прежней величине выходное напряжение. В схеме усилитель на транзистореТ2 питается от дополнительного источника напряжением U2 коэффициент стабилизации такого стабилизатора Кст > 100.

В качестве источников питания электрических элементов широко применяются электромагнитные стабилизаторы напряжения. Основные виды стабилизаторов трансформаторного действия: ферромагнитные и феррорезонансные (содержащие емкость).

Ферромагнитный стабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, на среднем стержне которого расположена первичная обмотка щ1, рисунок 5, а. На правом стержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположена вторичная обмотка щ2. На левом ненасыщенном стержне расположена компенсационная обмотка щк. При колебаниях напряжения U1 на входе стабилизатора изменяется магнитный поток в среднем стержне, но поток в правом стержне изменяется незначительно, т.к. стержень насыщен. Поэтому колебания напряжения U'2 на выходе вторичной обмотки стабилизатора (кривая 1 на рисунке 4.5, б) незначительны и компенсируются напряжением Uк компенсационной обмотки, зависимость которого от напряжения U1 имеет вид прямой линии, т.к. левый стержень стабилизатора ненасыщен (прямая 2 на рисунке 4.5, б). При правильном подборе параметров обмоток и магнитопровода стабилизатора угол наклона б прямолинейного участка кривой 1 равен углу наклона прямой 2. В этом случае напряжение на выходе оказывается стабилизированным:

Рисунок 5 - Электромагнитная схема ферромагнитного стабилизатора напряжения и графики напряжений

Так, при колебаниях напряжения U1 в пределах ±20% от номинального значения при неизменных нагрузке и частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т.е. коэффициент стабилизации по напряжению k ? 7. Обычно для ферромагнитных стабилизаторов: небольшой коэффициент стабилизации по напряжению, низкий КПД (не более 4 - 60%),небольшой коэффициент мощности (не более 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостатки ограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансный стабилизатор напряжения обладает лучшими свойствами, рисунок 6, а. Он состоит из реактора 1, магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U1 насыщен, конденсатора C, автотрансформатора 2, магнитопровод которого ненасыщен. Обмотка автотрансформатора 2включена так, что напряжение на выходе стабилизатора

,

где - напряжение на выводах реактора; - напряжение на выводах автотрансформатора, рисунок 6, а.

Рисунок 6 - Электромагнитная схема феррорезонансного стабилизатора напряжения и графики напряжений

Напряжение благодаря резонансу токов в контуре L1C, где L1 - индуктивность реактора, имеет резко нелинейную зависимость от напряжения U1(кривая 1 на рисунке 6, б). Напряжение пропорционально напряжению U1 (прямая 2) и компенсирует изменение напряжения на прямолинейном участке кривой ^ 1. При этом условии напряжение на выходе стабилизатора Uст изменяется незначительно при заданном диапазоне колебания напряжения на входе стабилизатора (кривая 3). Коэффициент полезного действия феррорезонансного стабилизатора достаточно высок и составляет 80 - 85%, а коэффициент стабилизации по напряжению kU = 20 ч 40.

К недостаткам феррорезонансных стабилизаторов относится заметная зависимость коэффициента стабилизации от частоты тока в сети и от коэффициента мощности нагрузки. Указанные недостатки в этом стабилизаторе проявляются в меньшей степени, чем в ферромагнитном стабилизаторе. Для ослабления несинусоидальности выходного напряжения ферромагнитных и феррорезонансных стабилизаторов в схему стабилизаторов вводят компенсирующие контуры. азмеры дросселя.

Электрические источники питания измерительных преобразователей, вторичных приборов и автоматических регулирующих устройств

Широкое распространение в промышленности получила схема источника питания, построенная на кремнистом стабилитроне, рисунок 7, а. В ней для увеличения коэффициента стабилизации используется мостовая схема включения стабилитронов. Резисторы R1 и R3 обычные, типа МЛТ, сопротивленияR2, R4 - R7 должны быть проволочными, причем сопротивление R4, используемое для температурной компенсации, выполняется из медного провода. При увеличении температуры окружающей среды растет напряжение стабилизации и одновременно увеличивается сопротивление медного провода, что при соответствующем выборе параметров схемы обеспечивает стабилизацию тока нагрузки. Схема позволяет получить коэффициент стабилизации не менее 150. подобная схема используется в источниках питания типа ИПС-60, имеющем коэффициент стабилизации 300, обеспечивает силу тока 6 мА при номинальном сопротивлении нагрузки 173 Ом.

Рисунок 7 - Принципиальные схемы источников питания вторичных приборов: а - ИПС-06; б - двухкаскадная; в - «Электроника17»

В целях улучшения характеристик стабилизатора можно использовать двухкаскадную схему включения стабилитронов, рисунок 4.7, б. Первый каскад стабилизации построен на двух стабилитронах Д1 и Д2, второй каскад - на стабилитроне Д6. В качестве термокомпенсирующих элементов в схеме используются германиевые диоды типов Д7Г, Д7Ж или стабилитроны, включенные в прямом направлении, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Коэффициент стабилизации таких стабилизаторов составляет примерно 2000. изменение выходного напряжения, равного 8,82 В при силе тока 5 мА, при изменении температуры окружающей среды в диапазоне 20 - 60 0С не превышает ±0,0005% на 1 0С.

Если для питания измерительной схемы требуется мощность большая, чем могут обеспечить кремниевые стабилитроны, то в качестве силового регулируемого элемента используется полупроводниковые триоды, рисунок 4.7, в. Опорными элементами в схеме прибора «Электроника17» служат кремниевые стабилитроны, в качестве усилительного и силового - полупроводниковые триоды с проводимостью типа n-p-n и p-n-p.

Коэффициент стабилизации схемы около 1500, температурная нестабильность выходного напряжения 0,005% на 1 0С. выходное стабилизированное напряжение равно 10 В при силе тока около 20 мА.

Стабилизированный источник питания ИП-8с, рисунок 8 может питать блоки квадраторов, функциональные преобразователи и другие элементы. В источнике питания ИП-8с имеется два раздельных параметрических стабилизатора на кремниевых стабилитронах СТ1 и СТ2. После выпрямителей используются сглаживающие LC-фильтры. Стабилитроны обеспечивают выходное напряжение каждого канала на уровне 18 В.

Рисунок 8 - Электрическая схема источника питания ИП-8с

Блок питания измерительных преобразователей и датчиков

Блок питания 22БП-36 осуществляет преобразование напряжения 220 В или 240 В переменного тока в стабилизированное напряжение 36 В (24В) постоянного тока. Предназначен для питания преобразователей типа «САПФИР-22М» в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

Конструкция блока питания представляет собой специальную раму (являющуюся одновременно несущим шасси), закрытую с двух сторон крышками.

На передней панели каждого блока питания расположены:

* тумблер включения сети 220 В;

* держатель сетевого предохранителя;

* светодиоды индикации включения (количество определяется вариантом исполнения блока питания);

* тумблеры включения соответствующих каналов (для двух-, четырех-, и восьмиканальных блоков питания).

На задней панели расположена клеммная колодка, предназначенная для подключения внешней питающей сети 220 (240) В и для электрического соединения блока питания с одним или несколькими измерительными преобразователями «САПФИР-22М».

На шасси установлены в зависимости от варианта исполнения блока питания один или два понижающих трансформатора, одна или две платы стабилизатора напряжения.

Электрическая схема одноканального блока питания, рисунок 9 включает в себя: понижающий трансформатор ^Т1, выпрямительный диодный мост VS1, предохранитель FU1, лампа индикации включения блока HL1, электронный стабилизатор напряжения.

Рисунок 9 - Принципиальная электрическая схема стабилизатора блока питания 22БП-36

Стабилизатор напряжения выполнен на микросхеме D1, мощных транзисторах VT1, VT3, транзисторе VT2.

Регулировка выходного напряжения стабилизатора осуществляется резистором R11.

Работа схемы электрического стабилизатора напряжения заключается в следующем: на первичную обмотку трансформатора ^ Т1 через предохранитель FU1подается сетевое напряжение. С вторичной обмотки трансформатора пониженное напряжение подается на диодный выпрямительный мост VS1.

С выходной диагонали моста выпрямленное напряжение подается через фильтр С1 на вход предварительного стабилизатора напряжения, собранного на транзисторах VT1, VT2, стабилитронах VD1, VD2 и резисторах R1, R2, R3, R4.

Предварительно стабилизированное напряжение (39,5 ± 0,25) В подается на вход стабилизатора напряжения, собранного на микросхеме D1, выходном транзисторе VT3, стабилитроне VD3, конденсаторах С2, С3 и резисторах R11, R12, R13.

Конденсаторы С4, С5 предназначены для фильтрации выходного напряжения.

Резисторы R5, R6, R7, R8, R9, R10 совместно с элементами микросхемы D1 обеспечивает защиту стабилизатора напряжения по выходу от короткого замыкания и перегрузки.

Диапазон срабатывания защиты по току 250 ± 50 мА.

Ток короткого замыкания составляет 20 - 30 мА.

После устранения перегрузки или короткого замыкания автоматически восстанавливается нормальная работа блока питания.

С помощью резистора R11 осуществляется настройка выходного напряжения.

Блок питания одноканальный обеспечивает питанием три преобразователя, а двухканальный обеспечивает питанием шесть преобразователей «САПФИР-22М».

2. Измерительные схемы: общие сведения, компенсационная схема

Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

Рис. 10. Схема компенсации напряжений

Применяют следующие схемы компенсации: а) напряжений или ЭДС (рис. 10); б) электрических токов (рис. 11).

Рис. 11. Схема компенсации токов

Схема, показанная на рис. 7.2, наиболее распространенная. В ней измеряемое напряжение U_xкомпенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением U_K. Падение напряжения U_K создается током / на изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивлении R_K. Изменение R_к происходит до тех пор, пока U_K не будет равно U_x. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерения.

Компенсаторами или потенциометрами называют устройства, предназначенные для измерения методом компенсации напряжения или э.д.с., а также ряда других электрических величин, связанных с напряжением или э.д.с. с функциональной зависимостью (например, I, P, R, и др.).

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток I в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 500-1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается на каждый градус повышения температуры:

E_t = E20 - 0,00004 (t - 20) - 0,000001 (t ~ 20)², (7.3)

где E t - ЭДС при температуре t, °С; E₂₀ - ЭДС при 20 °С.

Схема компенсатора представлена на рис. 7.4. Она содержит источник вспомогательной ЭДС E_вспдля питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное R_p, компенсирующее R_K и образцовоеR_H сопротивления. К зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого E_нэ, к зажимам X - искомую ЭДС Е_х. В качестве индикатора равновесия используют высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр G.

При работе с Компенсатором выполняют две операции:

1) устанавливают ток / в рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС E_всп (положение 1 переключателя В);

2) измеряют искомую ЭДС Е_х (положение 2 переключателя В).

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (11) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление R_H, значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре t (сопротивление R_K состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель Вставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента противопоставляют падению напряжения на R_u, которое регулируется с помощью изменяющего значение тока / в рабочей цепи резистором R_p. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра G, т. е. E_нэ = IR_n.

Рис. 12. Схема компенсатора

После установления рабочего тока I для измерения Е_х переключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивления R_к вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра G. Тогда

где I - значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;RK - значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление R_K выполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3, 4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета.

Указанным условиям удовлетворяют схемы с замещающими (рис. 13) и шунтирующими декадами (рис. 14). В схеме с замещающими декадами все секции верхних декад полностью дублированы соответствующими секциями нижних декад. Переключатели двух одинаковых декад связаны механически. При перемещении переключателей общее сопротивление остается неизменным: если уменьшаются значения сопротивлений верхних декад, то увеличиваются значения сопротивлений нижних декад, и наоборот. Компенсирующее напряжение можно снимать с верхних или нижних декад. Каждая последующая декада имеет сопротивление секции в десять раз меньше предыдущей. Р схеме с шунтирующими декадами при каждом положении двойных переключателей одна секция верхней декады шунтируется девятою секциями нижней декады, при этом общее сопротивление между точками 3 и 4 (см. рис. 7.4) остается неизменным. Ток через ceкции сопротивлений нижней декады Г в десять раз меньше тока ' через секции сопротивлений верхней декады, т. е.

Компенсирующее напряжение можно определить так:

UK=mUA + Nuб,

где m, n - соответственно число включенных секций верхней и нижней декад; ua, U б - падения напряжения на отдельных секциях соответствующих декад.

Рассмотренные варианты выполнения сопротивления R_K обеспечивают неизменность его полного значения, а следовательно, и неизменность тока I в момент компенсации, если ЭДС вспомогательного источника E_всп - const.

Рис. 13. Схема с замещающими декадами

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи 10~³ - 10~⁴ А, порядок измеряемого напряжения 1-2,5 В, погрешность измерения 0,02 % от измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи 0,1- 0.001 А, порядок измеряемого напряжения до 100Мв, погрешность измерения 0,5% от измеряемого значения.

Рис. 14.

Высокоомные компенсаторы применяются для измерений в высокоомных цепях, где из-за условий успокоения гальванометра и согласования его сопротивления с сопротивлением схемы применяют высокоомные гальванометры, а потому целесообразно иметь высокоомный и цепь самого компенсатора. Низкоомные компенсаторы применяются в противоположных условиях. Высокоомные компенсаторы рассчитываются на измерение напряжений порядка I-2,5 в, имеют рабочий ток в главной рабочей цепи 10~^s -10 ~* а и сопротивление этой цепи 10000-40000 ом.

Низкоомные компенсаторы рассчитаны на измерение напряжений менее 100 мв , сопротивление главной рабочей цепи их имеет величину от десятков до 2000 ом и ток в главной рабочей цепи 10 ~¹-10~³ а.

Как высокоомные, так и низкоомные компенсаторы предназначены для поверки измерительных приборов и мер (шунтов, делителей, измерительных катушек, нормальных элементов и пр.), а также для выполнения всякого рода рабочих измерений.

Компенсационный метод относится к наиболее точным среди методов и приборов, предназначенных для измерения напряжений: погрешность его может иметь порядок 0,01% и даже 0,0011%.

В компенсаторе постоянного тока, как и в любом другом приборе, построенном на косвенном методе измерения, результирующая погрешность измерения (абсолютная или относительная) является функцией частных погрешностей, вносимых каждым элементом схемы. В компенсаторе к таким элементам относятся нормальный элемент, гальванометр, сопротивления R_H и R-чем точнее выполнены эти элементы, тем точнее результат измерения.

Своей высокой точности компенсаторы постоянного тока обязаны присутствию в схеме нормального элемента, э. д. с. которого известна с точностью до тысячных долей процента, с которым (косвенным образом) производится сравнение неизвестного напряжения или э. д. с.

Для облегчения расчета допустимой погрешности измерения большая часть современных компенсаторов снабжается формулой, указанной в инструкции к пользованию прибором. В этой формуле допустимые для данного компенсатора погрешности, возникающие за счет несовершенства изготовления элементов схемы, остающиеся постоянными в процессе измерений, объединяются в постоянный член уравнения и не требуют постоянного пересчета.

Переменной величиной в формуле является сопротивление Rbc, которое в процессе работы может принимать разные значения в зависимости от порядка измеряемого напряжения и от опыта экспериментатора.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 15. Высокоомный электронный вольтметр у! с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U_x и образцовым U_K напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр У₂ используется для измерения образцового напряжения 1/_к. Рекомендуется при U_K - 0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение U_x, а уже затем установить по вольтметру V₂ удобное для отсчета напряжение U_K.Измеряемое напряжение U_x при указанной полярности включения вольтметра V1 определяется какU_x=U_K +?U

Рис. 15. Схема измерения постоянного напряжения дифференциальным методом

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего L/_K.

Входное сопротивление цепи

RВХ=UX/I=(UK+?U)/(?U/RV1)=RV1(UK/?U+1)

намного превышает входное сопротивление rvi вольтметра V_t. Гальванометрические компенсаторы служат для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10~⁸ В). Основными элементами гальванометрического компенсатора (рис. 16) являются: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального гальванометра G, образцовый резистор обратной связи R_к, фоторезисторы ФR1 и ФR₂, источники постоянного напряжения с Е1 = Е2, магнитоэлектрический микроамперметр.

На зеркальце гальванометра G направлен луч света от прожектора Пр. При отсутствии напряженияV_х луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает фотосопротивления, в результате ток Iк = 0. При подаче на вход измерителя напряжения U_x в цепи гальванометра G появляется ток Iг, подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов и изменение их сопротивлений.

Рис. 16.

Согласно схеме включения фоторезисторов и полярности U_х сопротивление фоторезистора ФR1 уменьшится, а ФR₂ увеличится. Через резистор R_K потечет ток I_к, создавая на R_K компенсирующее напряжение U_K, почти равное измеряемому напряжению U_x. Значение тока I_к автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения U_x, но всегда так, что выполняется условие U_x ~ U_K обеспечиваемое за счет небольших изменений тока Iг в цепи гальванометра:

Iг -= (U_x - UK)/(Rr + R_K) = ?U/(Rr + R_K). (7.8)

Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших изменениях I_Г произойдет соответствующее изменение тока I_к, нужное для выполнения условия U_K ?U_X.

Повышение чувствительности достигается благодаря применению специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка 10~¹⁰- 10~¹⁴ А максимальный угол поворота подвижной части.

Значение компенсирующего тока I_к зависит от значений E1 = E₂, относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер.

Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность :при высоком входном сопротивлении.

Электрометрические компенсаторы - измерители напряжения, использующие электромеханический электрометр и имеющие весьма * высокое входное сопротивление (10¹⁶-10¹⁷Ом). Они просты ,и удобны в эксплуатации. Электромеханический электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой указатель положения подвижной части. Схема электрометрического компенсатора представлена на рис. 17, где электрический электрометр, состоящий из двух неподвижных обкладок 1, 2 и подвижной обкладки 3, расположенной симметрично относительно неподвижных.

Рис. 17. Схема электрометрического компенсатора

К подвижной обкладке прикреплено миниатюрное зеркальце. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения U_В, что позволяет повысить чувствительность и возможность установки нуля показаний электрическим путем (при замкнутых зажимах U_x

посредством переменного резистора R₀).

Принцип работы электрометрического компенсатора аналогичен работе гальванометрического компенсатора.

При подключении измеряемого напряжения U_x подвижная часть электрометра Э повернется на некоторый угол, что приведет к перераспределению световых потоков, освещающих фоторезисторы ФR_l

и ФR₂ к появлению тока компенсации I_к и соответственно напряжения U_К, уравновешивающего измеряемое напряжение U_x. Подвижная часть электрометра будет отклоняться до тех пор, пока не наступит равенство напряжений U_x = U_K. Так как сопротивление резистора обратной связи R_K может быть незначительным, то ток I_к может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром. Входной ток компенсатора определяется токами утечки, поэтому он мал, а следовательно, входное сопротивление велико (10¹⁶ - 10¹⁷ Ом). Кроме измерителей напряжения строятся и высокочувствительные электрометрические измерители тока.

Применение компенсаторов постоянного тока

Компенсаторы, как было указано, способны измерять напряжение или э. д. с.; косвенным образом с их помощью можно измерять и ряд других электрических величин, таких, как ток, сопротивление, мощность, связанных с напряжением определенной зависимостью.

Как приборы высокой точности, компенсаторы используются в измерительной технике в основном, для поверки измерительных приборов непосредственной оценки - амперметров, вольтметров, ваттметров. Целью поверки является нахождение основной погрешности прибора и установление степени его соответствия классу точности, указанному на шкале этого прибора.

Кроме того, во многих случаях при лабораторных исследованиях, технических и промышленных измерениях также пользуются компенсационными схемами (либо для достижения высокой точности измерений, либо для выполнения измерения без отбора тока от объекта измерения).

Ниже приведены схемы измерения основных электрических величин.

Схема для измерения напряжения и э. д. с.

Измеряемое напряжение U_x подводится к зажимам I-3, делителя напряжения (рис. VI-26). Поскольку величина U_x может меняться в больших пределах, достигая сотен и даже тысяч вольт, а компенсатор непосредственно способен измерять напряжение порядка (1ч2) в, между компенсатором и измеряемым напряжением включают делитель напряжения.

На рисунке приведена схема делителя напряжения типа ДН-1, выпускаемого специально для компенсаторов. Измеряемое напряжение, на которое включен поверяемый вольтметр, целиком подводят к делителю напряжения, а к компенсатору-только часть этого напряжения. Напряжения; подводимое к делителю, U_x, и снимаемое с делителя к компенсатору, U_x , связаны между собой зависимостью:

где R-максимальное сопротивление делителя;

r-сопротивление, с которого снимается напряжение U_x'.

Рис. 18.

В делителе ДН-1 сделаны отводы, позволяющие снимать к компенсатору точно 1/10, 1/100, 1/500 часть подведенного напряжения.

Схема для измерения тока

Измеряемый ток, который проходит по поверяемому амперметру (в случае его поверки), пропускается через образцовое сопротивление Ко, значение которого известно с достаточной степенью точности (рис. 19).

Напряжение, возникающее на известном сопротивлении от измеряемого тока, подается на компенсатор, где измеряется обычным путем.

Значение тока, измеренное компенсатором, рассчитывается по формуле

IX=UK/R0

где U _к- показание компенсатора.

Образцовые сопротивления, представляют собой сопротивления высокого класса точности и всегда имеют номинальные значения вида 1-10", где п- целое число.

Как правило, они имеют четыре зажима: два токовых и два потенциальных. Токовыми зажимами образцовое сопротивление включается в токовую цепь, а с потенциальных снимается напряжение к компенсатору

Рис. 19.

Для увеличения точности измерения rq выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем от измеряемого тока было не менее 10% значения верхнего предела измерения данного компенсатора; при этом будут использованы все декады магазина R компенсатора.

Схема для измерения сопротивлений

Измеряемое сопротивление R_x включается чаще всего последовательно с образцовым сопротивлением R0. Падения напряжений, создаваемые на этих сопротивлениях, U_х и U_Q, измеряются компенсатором (рис. 20).

Рис. 20

Для последовательной схемы, где сопротивления обтекаются одним и тем же током, будет справедливо соотношение

Схема для измерения мощности и поверки ваттметров

На рис. 21 изображена схема, которая применяется при измерении мощности и, в частности, при градуировке и поверке ваттметров.

Рис. 21.

С помощью переключателя П компенсатор присоединяется попеременно то в цепь напряжения ваттметра, то в цепь его тока.

Вначале, при положении 1 переключателя П, с помощью компенсатора устанавливается номинальное 'напряжение ваттметра, которое в дальнейшем поддерживается постоянным и периодически проверяется опять-таки на компенсаторе. Затем переключатель Я ставят в положение 2и, регулируя реостатом /?_рег ток в последовательной цепи ваттметра, устанавливают стрелку прибора на оцифрованных отметках шкалы, измеряя силу тока.

Для каждой отметки определяется значение мощности как произведение тока ,на напряжение, и результат расчета сверяется с показанием прибора. Разность между показанием прибора и результатом измерения мощности на компенсаторе даст основную погрешность ваттметра для каждого поверенного деления шкалы.

Компенсаторы переменного тока

Компенсаторы переменного тока - это приборы, измеряющие на переменном токе напряжения и некоторые другие электрические величины, связанные с напряжением функциональной зависимостью (ток, сопротивление, мощность и др.). Как известно, напряжение на переменном токе можно представить как комплексную величину и изобразить в виде вектора, занимающего определенное положение на комплексной плоскости (рис. 22),

Компенсационный метод измерения на переменном токе, так же как и на постоянном, заключается в уравновешивании неизвестного напряжения известным. Для того, чтобы скомпенсировать на переменном токе напряжение. U_x, необходимо и достаточно приложить к нему другое напряжение U_к, равное по амплитуде, форме кривой и частоте, но сдвинутое по фазе относительно U_r на 180°.

Рис. 22.

Компенсаторы переменного тока значительно менее точны, чем компенсаторы постоянного тока. Причиной тому служит отсутствие образцовой переменной синусоидальной э. д. с., с помощью которой можно было бы установить рабочий ток в компенсаторе, как это делается на постоянном токе. В компенсаторах переменного тока величина рабочего тока устанавливается по амперметру обычно электродинамической системы, класс точности которого в наилучшем случае 0,1-0,2.

Таким образом, высокая точность измерения, свойственная компенсаторам постоянного тока, на переменном токе теряется. Несмотря на это, компенсатор переменного тока - один из важнейших приборов, позволяющий судить не только о величине измеряемого напряжения, но и о его фазе.

Кроме того, в момент измерения компенсатор не потребляет мощности от источника измеряемой величины и, следовательно, не оказывает влияния на работу схемы, что тоже является его ценным качеством.

В уравнении (VI-46) представлены две формы записи комплексного напряжения UX,.: алгебраическая- с двумя составляющими UXA и UXP и показательная-с модулем U_x и фазой цx- измеряемой величины. Если напряжение U_x представить в алгебраической форме, то для компенсации его необходимо скомпенсировать порознь активную и реактивную составляющие.

Если же напряжение U_х характеризовать модулем и фазой, то для компенсации его нужно скомпенсировать модуль и фазу величины. В соответствии с этим различают две группы компенсаторов:

а) полярно-координатные с отсчетом измеряемого напряжения 1в полярных координатах;

б) прямоугольно-координатные с отсчетом действительной и мнимой составляющих напряжения по действительной и мнимой осям.

Рассмотрим схему и принцип действия прямоугольно-координатного компенсатора, изображенного на рис. 23.

Рис. 23

Компенсатор состоит из двух контуров: / и //. Напряжение источника питания схемы U, связанное с первым контуром через трансформатор, вызывает в этом контуре ток I1, величину которого можно регулировать реостатом R_рег и измерять амперметром.

Проходя по реохорду А-В, представляющему собой чисто активное сопротивление, ток 1\ создает на нем падение напряжения U_KA совпадающее по фазе с током.

Контур 1 связан с контуром 2 через воздушный трансформатор М (катушку взаимной индуктивности без стального сердечника).

При протекании тока I1 через первичную обмотку катушки М в ней возникает магнитный поток ф, находящийся в фазе с током I1 который вызовет появление во .вторичной обмотке э д. с Е2 отстающей от потока ф на 90°.

Если пренебречь индуктивным сопротивлением вторичной обмотки воздушного трансформатора, то можно считать, что ток второго контура I₂ совладает по фазе с э. д. с. Е₂, а напряжение U_кр на реохордеА-В, представляющем собой чисто активное сопротивление, совпадает по фазе с током I2.

Таким образом, в схеме создаются условия, при которых токи I1 и I2, а также напряжения, снимаемые с реохордов А-В и А'-В', сдвинуты на угол 90° одно по отношению к другому.

Векторная диаграмма компенсатора приведена на рис. VI-32. Как видно из рис. 24, середины реохордов А-В и А'-В' электрически соединены, образуя нулевую точку схемы.

Измеряемое напряжение UX=UXA+jU_xp подводится к зажимам /-2 и далее, через вибрационный гальванометр, к движкам Д и Д₂.

Компенсирующее напряжение UX=UKA+ fU_Kp, равное геометрической сумме напряжений U_ha и U_Kp,возникающих па реохордах, снимается с движков Д\ и Д₂. Напряжение U_Ka. которое создается на реохорде первого контура, называют активной составляющей компенсирующего напряжения, а напряжение U_KP на реохорде второго контура -- его реактивной составляющей.

Рис. 24

Меняя положение движков Д и Д₂, можно получить компенсирующее напряжение в любом из четырех квадрантов комплексной плоскости.

...