Vergleichsmethode mit Maß

In der Messtechnik wird zur Verbesserung der Genauigkeit häufig ein Verfahren eingesetzt, das auf dem Vergleich des Wertes der gemessenen Größe mit dem Wert der durch ein spezielles Maß wiedergegebenen Größe beruht. In diesem Fall wird das unterschiedliche (Differenz-)Signal gemessen, und da die Messung normalerweise einen kleinen Fehler aufweist, ist eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.

Diese Methode ist die Grundlage für den Betrieb von Messbrücken und Potentiometern.

Normalerweise wird der durch die Messung reproduzierte Wert angepasst und im Verlauf der Messung wird sein Wert genau auf den Wert des gemessenen Werts gesetzt.

Bei der Messung von Brücken werden Widerstände als ein solches Maß verwendet – Rheochords, mit deren Hilfe der Widerstand des Wärmewandlers ausgeglichen wird, der sich ändert, wenn sich die Temperatur des Objekts ändert.

In Messpotentiometern wird üblicherweise eine stabile Spannungsquelle mit geregeltem Ausgang verwendet. Bei Messungen wird mit der Spannung einer solchen Quelle die vom Sensor erzeugte EMF kompensiert. In diesem Fall wird diese Messmethode als Kompensation bezeichnet.

In beiden Fällen besteht die Aufgabe der folgenden Geräte (Geräte) lediglich darin, die Tatsache der Gleichheit von Messwert und Maß zu registrieren, weshalb die Anforderungen an sie erheblich reduziert werden.

Bestimmung der Temperatur durch Messbrücken

Betrachten Sie als Beispiel das Funktionsprinzip der Messbrücke im manuellen Modus.

Abbildung 1a zeigt eine Brückenschaltung zum Messen der Temperatur Θ eines bestimmten Objekts zur Steuerung von OR (oder zur Messung von OI). Grundlage einer solchen Schaltung ist ein geschlossener Stromkreis aus vier Widerständen RTC, Rp, Rl, R2, die die sogenannten Brückenzweige bilden. Die Verbindungspunkte dieser Widerstände werden Eckpunkte (a, b, c, d) genannt, und die Linien, die gegenüberliegende Eckpunkte (a-b, c-d) verbinden, werden Diagonalen der Brücke genannt. Eine der Diagonalen (c-d, Abb. 1.a) wird mit Versorgungsspannung versorgt, die andere (a-b) dient der Messung bzw. Ausgabe. Eine solche Schaltung nennt man Brücke, was dem gesamten Messgerät seinen Namen gibt.

Der RTC-Widerstand ist ein primärer Temperaturmesswandler (Thermistor), der sich in unmittelbarer Nähe des Messobjekts (häufig im Inneren) befindet und über bis zu mehrere Meter lange Drähte mit dem Messkreis verbunden ist.

Die Hauptanforderung an einen solchen Thermowandler ist die lineare Abhängigkeit seines Wirkwiderstandes RTC von der Temperatur im geforderten Messbereich:

wobei R0 der Nennwiderstand des Wärmewandlers bei der Temperatur Θ0 (normalerweise Θ0 = 20 °C) ist:

α – Temperaturkoeffizient abhängig vom Material des Wärmewandlers.

Die am häufigsten verwendeten Metallthermistoren TCM (Kupfer) und TSP (Platin) werden manchmal auch Metallthermistoren (MTP) genannt.

Der variable Widerstand Rp ist das oben diskutierte hochpräzise Rheochord (Messgerät) und dient zum Ausgleich des variablen RTC. Die Widerstände R1 und R2 vervollständigen die Brückenschaltung. Bei Gleichheit ihrer Widerstände R1 = R2 nennt man die Brückenschaltung symmetrisch.

Darüber hinaus zeigt FIG. 1.a zeigt ein Nullgerät (NP) zur Fixierung der Brückenbalance und einen Pfeil mit einer Grad-Celsius-Skala.

Reis. 1. Temperaturmessung durch Messbrücken: a) im manuellen Modus; b) im Automatikmodus

Aus der Elektrotechnik ist bekannt, dass die Bedingung für das Gleichgewicht (Gleichgewicht) der Brücke dann erfüllt ist, wenn das Produkt der Widerstände der gegenüberliegenden Arme der Brücke gleich ist, d. h. unter Berücksichtigung des Widerstands der Drähte, die den Sensor verbinden:

wobei Rp = Rp1 + Rp2 die Summe der Drahtwiderstände ist; oder für symmetrische Brücke (R1 = R2)

In diesem Fall liegt in der Messdiagonale keine Spannung an und das Nullgerät zeigt Null an.

Wenn sich die Temperatur Θ des Objekts ändert, ändert sich der Widerstand des RTC-Sensors, das Gleichgewicht wird gestört und muss durch Bewegen des Schiebers des Gleitdrahts wiederhergestellt werden.

In diesem Fall bewegt sich der Pfeil zusammen mit dem Schieber entlang der Skala (die gestrichelten Linien in Abb. 1.a bezeichnen die mechanische Verbindung zwischen Schieber und Pfeil).

Ablesungen erfolgen nur in Gleichgewichtsmomenten, weshalb solche Schaltkreise und Geräte oft als symmetrische Messbrücken bezeichnet werden.

Der Hauptnachteil der in Abb. dargestellten Messschaltung. 1.a, ist das Vorhandensein eines Fehlers, der durch den Widerstand der Drähte Rp verursacht wird, der je nach Umgebungstemperatur variieren kann.

Dieser Fehler kann durch die Verwendung einer Dreileitermethode zum Anschluss des Sensors behoben werden (siehe Abbildung 1.b).

Sein Wesen liegt darin, dass mit Hilfe des dritten Drahtes das obere „c“ der Versorgungsdiagonale direkt zum Wärmewiderstand bewegt wird und die beiden verbleibenden Drähte Rп1 und Rп2 in unterschiedlichen benachbarten Armen liegen, d.h. Der Gleichgewichtszustand einer symmetrischen Brücke wird wie folgt transformiert:

Um den Fehler vollständig zu beseitigen, reicht es daher aus, beim Anschluss des Sensors an die Brückenschaltung die gleichen Drähte (Rp1 = Rp2) zu verwenden.

Automatisches Temperaturkontrollsystem

Zur Umsetzung des automatischen Messmodus (Abb. 1b) genügt es, anstelle eines Nullgerätes einen phasenempfindlichen Verstärker (U) und einen Reversiermotor (RD) mit Getriebe an die Messdiagonale anzuschließen.

Abhängig von der Art der Temperaturänderung des Objekts bewegt der Rollweg den RP-Schieber in die eine oder andere Richtung, bis ein Gleichgewicht hergestellt ist. Die Spannung an der a-b-Diagonale verschwindet und der Motor stoppt.

Darüber hinaus bewegt die Maschine bei Bedarf den Anzeigezeiger und den Rekorder (PU), um die Messwerte auf dem Diagrammstreifen (DL) aufzuzeichnen. Der Grafikbalken wird von einem Synchronmotor (SM) mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben.

Aus regelungstechnischer Sicht handelt es sich bei dieser Messanlage um ein System zur automatischen Temperaturregelung (SAK) und gehört zur Klasse der Servosysteme mit negativer Rückkopplung.

Die Rückkopplungsfunktion wird durch die mechanische Verbindung der Motorwelle RD mit der Aufzeichnung Rp erreicht. Der Sollwert ist das TC-Thermoelement. In diesem Fall erfüllt die Brückenschaltung zwei Funktionen:

1. Vergleichsgerät

2.Konverter (ΔR zu ΔU).

Die Spannung ΔU ist ein Fehlersignal

Der Umkehrmotor ist ein ausführendes Element, und der Ausgabewert ist die Bewegung eines Pfeils (oder einer Aufzeichnungseinheit), da der Zweck jedes SAC darin besteht, Informationen über den gesteuerten Wert in einer für die menschliche Wahrnehmung geeigneten Form bereitzustellen.

Die eigentliche Schaltung der KSM4-Messbrücke (Abb. 2) ist etwas komplizierter als die in Abb. 1.b.

Widerstand R1 ist ein Rekorder – ein Draht mit hohem elektrischem Widerstand, der auf einen isolierten Draht gewickelt ist. Der bewegliche Motor gleitet auf dem Gleitdraht und über eine Kupferschiene parallel zum Gleitdraht.

Um den Einfluss des transienten Kontaktwiderstands des Motors auf die Genauigkeit der Messung zu verringern, sind zwei vom Motor getrennte Teile des Gleitdrahts in verschiedenen Armen der Brücke enthalten.

Der Zweck der verbleibenden Widerstände:

• R2, R5, R6 – Manöver, um die Messgrenzen oder den Skalenbereich zu ändern,

• R3, R4 – zum Einstellen (Auswählen) der Temperatur am Anfang der Skala,

• R7, R9, P10 – Vervollständigen Sie die Brückenschaltung;

• R15 – um die Gleichheit der Widerstände der Drähte Rп auf verschiedenen Brückenzweigen einzustellen,

• R8 – zur Begrenzung des Thermistorstroms;

• R60 – um den Eingangsstrom des Verstärkers zu begrenzen.

Alle Widerstände bestehen aus Manganindraht.

Die Brücke wird mit Wechselspannung (6,3 V) aus einer speziellen Wicklung des Netztransformators gespeist.

Verstärker (U) – phasenempfindlicher Wechselstrom.

Der Executive Reversible Motor (RD) ist ein Zweiphasen-Induktionsmotor mit eingebautem Getriebe.

Reis. 2. Schematische Darstellung des KSM4-Geräts im Einkanal-Temperaturmessmodus.