Магнитоэлектрический милливольтметр.

Государственное профессиональное

Образовательное учреждение

«Енакиевский металлургический техникум»

ПМ 01. МДК.01.02 Методы осуществления стандартных и сертификационных испытаний, метрологических поверок средств измерений

Раздел 2. Технологические измерения параметров процесса

Тема 2 «Измерение температуры»

Тема 2.8

Лекция 34

« Пирометрический милливольтметр, погрешности, типы, схемы соединения »

План.

1. Пирометрический милливольтметр, принцип действия, конструкция. Основные типы промышленных пирометрических милливольтметров.

2. Электрическая цепь в комплекте с термоэлектрическим преобразователем.

3. Погрешности измерения милливольтметром и способы их уменьшения.

4. Схемы присоединение нескольких термоэлектрических преобразователей к пирометрическому милливольтметру.

5. Задачи.

6. Контрольные вопросы.

7. Вопросы для самостоятельного изучения.

8. Литература. Информационные ресурсы.

 

Преподаватель ____________________ Г.В. Лунина

 

1. Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термопарами, используются магнитоэлектрические милливольтметры, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Магнитоэлектрический милливольтметр.

Простейшим прибором, которым измеряют термо-ЭДС термопар, является милливольтметр. Милливольтметры являются электроизмерительными приборами магнитоэлектрической системы (рис. 1).

В конструкции милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Наличие сердечника в междуполюсном пространстве магнита уменьшает магнитное сопротивление и формирует радиальный магнитный поток.

Рисунок 1. Милливольтметр: 1 – магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – сердечник; 4 – рамка; 5 – спиральная пружина; 6 – термопара.

В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками 2 и сердечником 3 вращается рамка 4, изготовленная из изолированного медного провода и монтируемая на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях.

Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается специальной пружиной 5, служащей одновременно тоководом к рамке. С помощью грузиков магнитная система уравновешивается так, чтобы ее центр тяжести находился на оси рамки.

Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r и состоит из n витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой лаком. Благодаря сердечнику, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, из-за чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость оказывается параллельной вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент:

Противодействующий момент М_пр, создаваемый спиральной пружиной:

где W – удельный противодействующий момент, ϕ – угол поворота рамки.

При некотором угле поворота ϕ имеем , т.е.

или ,

где - чувствительность измеряемого механизма по току (рад/А).

Зависимость угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением Rм равна

,

Где - чувствительность прибора по напряжению.

Измерение термо-ЭДС осуществляется по схеме, приведенной на рис.2. Генерируемая ТЭП термо-ЭДС E_АВ(t,t₀) создает в замкнутой цепи ток

где Rу – сопротивление уравнительной катушки, R_Д – сопротивление добавочной катушки, Rпр – сопротивление подводящих проводов, R_ВН=R_АВ+Rпр+Rпр+Rу – внешнее по отношению к зажимам а-в прибора сопротивление цепи, R_М=R_Д+R_р – внутреннее сопротивление милливольтметра.

Рисунок 2. Схема измерения термо-ЭДС милливольтметром.

Измеренное милливольтметром напряжение UАВ всегда меньше, чем ЭДС в цепи на значение падения напряжения IRвн во внешней цепи:

U_АВ = IR_М = E_АВ(t,t₀)-IR_ВН

Если R_ВН + R_М = const, то между показаниями милливольтметра и измеряемой ЭДС однозначная зависимость:

и шкалу милливольтметра можно градуировать в градусах по соответствующей градуировочной характеристике.

Сопротивления внешней цепи R_ВН и милливольтметра R_М изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Уменьшить температурную погрешность можно за счет выбора соотношений R_ВН / R_М и R_Р / R_М.

следовательно, чем меньше R_ВН / R_М, тем меньше изменение этого отношения скажется на зависимости U_АВ от E_АВ(tt₀). Уменьшение R_ВН / R_М возможно за счет увеличения R_М, но т.к. R_М состоит из сопротивления рамки, выполненной из медного провода с сопротивлением R_Р и добавочного сопротивления R_Д, то R_М увеличивают за счет увеличения добавочного сопротивления R_Д, выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R_М приводит к увеличению чувствительности милливольтметра. Обычно, R_М =100-500 Ом, а отношение R_Р/R_м=1/3, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора.

Значение R_ВН стандартизовано в пределах 0,6ч25 Ом и указано на шкале прибора. При использовании милливольтметра с градусной шкалой необходимо сопротивление внешней линии подогнать к значению R_ВН, указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления Rу. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она наносится без учета сопротивления R_ВН и показания прибора соответствуют сопротивлению на его зажимах, т.е. U_АВ. По известным R_М и R_ВН определяют E_АВ(t,t₀), а затем по градуировочным таблицам определяют температуру.

Милливольтметры можно классифицировать по разным признакам.

Бывают переносные и щитовые (стационарные) милливольтметры, показывающие и регистрирующие, без светового указателя и со световым указателем. Но основное различие состоит во внутреннем устройстве.

Бывают милливольтметры с внешним магнитом и внутрирамочным магнитом.

а) б)

Рисунок 3. Измерительные механизмы милливольтметров: а) с внешним магнитом(1 – полюсные наконечники из магнитомягкой стали, 2 – малогабаритный постоянный магнит, 3 – алюминиевая стрелка, 4 – корректор нуля, 5 – опорные винты, 6 – керны, 7 – спиральные пружинки, 8 – подвижная рамка, 9 – неподвижный сердечник, 10 - грузы, 11 – магнитный шунт, 12 - мостик); б) с внутрирамочным магнитом (1 – неподвижный цилиндрический сердечник, 2 – магнитопровод, 3 – рамка на кернах или растяжках, 4 – обойма из немагнитного материала).

Градуировка может быть выполнена только в милливольтах или прибор может иметь двойную градуировку – в градусах Цельсия и единицах напряжения.

Пирометрические милливольтметры изготовляются с подвижной системой на кернах и на растяжках. ' В настоящее время все пирометрические милливольтметры выпускаются и соответствии с требованиями ГОСТа. Приборы на кернах выпускаются в двух модификациях: с вертикальной и с горизонтальной осью подвижной системы и двух типов: переносные и щитовые. Приборы на растяжках выпускаются для щитового монтажа с вертикальной осью подвижной системы главным образом как записывающие или как контактные, В этом случае' размеры защитного кожуха позволяют удобно, не увеличивая последнего, встроить магнитную систему на растяжках. Приборы с подвижной системой на растяжках, как уже указывалось, применяются как щитовые милливольтметры. В некоторых моделях пирометрических милливольтметров, выпускаемых отечественной приборостроительной промышленностью, для автоматического корректирования используется биметаллический корректор в виде спиральной пружины, выполненной из биметалла.

2. Комплект для измерения температуры состоит из термоэлектродов 1 и 2, образующих рабочий конец 3, которые изолированы друг от друга фарфоровыми трубками 4 и заключены в защитный чехол 5. В головке 6 оба термоэлектрода посредством зажимов, укрепленных на колодке 7, соединены с жилами 8 и 9 компенсационного провода, к которому посредством медных соединительных проводов 10 подключен в точках 11 и 12, являющихся свободными концами термопары, измерительный прибор 13. Постоянная температура свободных концов поддерживается термостатом 14.

Принцип работы милливольтметра заключается в использовании взаимодействия магнитного поля неподвижного магнита и постоянного тока, протекающего через обмотку подвижной рамки. Рамка R_р включается в цепь ТЭП с помощью компенсационных А ₁ и В ₁, и медных С проводов. Сила тока, протекающего в цепи, зависит от величины ТЭДС Е _АВ(t ₂, t₀) и сопротивления измерительной цепи. При протекании тока через рамку, окруженную полем постоянного магнита, возникает магнитоэлектрический момент М (Н·м), поворачивающий рамку и равный: М = 2r l·n·B·I, При перемещении рамка одновременно закручивает спиральные пружины, которые создают противодействующий упругий момент. Вращение рамки будет продолжаться до тех пор, пока магнитоэлектрический момент не уравновесится противодействующим упругим моментом М = М_п

Рисунок 4. Комплект для измерения температуры

При измерении термо-ЭДС термоэлектрического термометра милливольтметром необходимо учитывать собственное потребление мощности прибором если термо-ЭДС, развиваемая термометром равна , то ток Ш, возникающий в цепи, состоящей из милливольтметра М с присоединенным к нему с помощью термоэлектродных проводов и медных проводов термометром АВ, определяется уравнением:

где - внутреннее сопротивление милливольтметра при 20°С; - сопротивление термоэлектродных проводов при 20°С, Ом; - сопротивление термоэлектрического термометра АВ при 20°С, Ом; - сопротивление подгоночного манганинового резистора, Ом; - сопротивление медных проводов при 20 °С, Ом.

Заданное значение внешнего сопротивления милливольтметра равно:

Выражая напряжение на зажимах милливольтметра через значение тока:

И учитывая предыдущие формулы:

откуда

Таким образом напряжение на зажимах милливольтметра всегда меньше, чем термо-ЭДС, развиваемая термометром, на значение, равное падению напряжения во внешней цепи, т.е. на . Падение напряжения тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление милливольтметра по сравнению с его внешним сопротивлением. Поэтому внутреннее сопротивление милливольтметров делается достаточно большим.

 

 

3. Погрешности:

1) сопротивления внешней цепи R _ВН в зависимости от непостоянной температуры в цехах и на поверхностях металлургического оборудования, вдоль которые прокладываются соединительные провода;

2) сопротивления прибора R _Г вследствие значительного изменения температуры помещения, в котором установлен прибор;

3) температуры t ₀ свободных концов ТП;

4) механических характеристик измерительного механизма (упругих характеристик пружин, моментов трения в керновых подпятниках и т. п.);

5) наличия внешних магнитных полей.

Для исключения влияния отклонения температуры t ₀ свободных концов от градуировочной вместо термостатов широко применяются компенсационные коробки КТ для автоматической компенсации изменения ТЭДС термопары. На рис. 3.4. представлена схема включения устройства КТ в измерительную цепь, состоящую из милливольтметра М и термометра АВ. Компенсационные А ₁, В ₁ и соединительные С провода присоединены к клеммам КТ. Таким образом, сопротивления R ₁, R ₂, R ₃, R ₄ образующие равноплечный мост, имеют такую же температуру t ₀, которую имеют свободные концы. Сопротивления R ₁, R ₂ и R ₄, выполнены из манганина, R ₃– из меди. К вершинам диагонали ab подается постоянное напряжение, например от источника стабилизированного питания (на рисунке не показан).

Устройство КТ предназначено для автоматической компенсации изменения термо-ЭДС термоэлектрического термометра, вызываемого отклонением температуры его свободных концов от градуировочной.

Принципиальная схема устройства на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема устройства КТ, включенного в цепь термоэлектрического термометра с милливольтметром: АВ – термометр; А₁ и В₁ – термоэлектродные провода; t – температура рабочего конца термометра; t₁ – температура мест соединения электродов термометра с термоэлектродными проводами; t₀ – температура свободных концов термометра; R_Д – добавочный манганиновый резистор в линии питания моста КТ; R_У – уравнительный манганиновый резистор для подгонки внешнего сопротивления милливольтметра М до заданного значения RВН.

В простейшем виде устройство КТ – это равноплечий мост три плеча которого выполнены из манганиновой проволоки, а одно R₁ – из медной проволоки. Мост питается от источника стабилизированного питания (на рисунке 5 не показан).

Сопротивления подобраны таким образом, что при t ₀=0 °С напряжение на вершинах a и b равно нулю, т. е. на милливольтметр поступает сигнал ТП, соответствующий стандартной градуировке. При увеличении температуры t ₀ (t '₀ > t ₀) возрастает сопротивление R ₁, что приводит к нарушению равно-весия моста и появлению в точках c и d напряжения, компенсирующего уменьшение ТЭДС термометра, Е_АВ (t′ ₀, t ₀) = U_ab. Точность, с которой устройство КТ воспроизводит соответствующую термоэлектрическую характеристику при изменении температуры свободных концов в пределах до t ₀ = 50 °С, составляет ±3 °С для ТП типа ТПП, ТХА и ТХК.

Если милливольтметр имеет безнулевую шкалу, то схема моста усложняется. В схему моста должен быть включен элемент (подавитель), позволяющий получить дополнительной компенсирующее напряжение необходимого знака, равное термо-ЭДС термометра, соответствующей температуре рабочего конца t_н (начальная отметка шкалы) и температуре свободных концов t₀=0°С.

При измерении температуры милливольтметром в комплекте с термоэлектрическим термометром в эксплуатационных условиях возможно изменение погрешности, так как внутреннее и внешнее его сопротивление могут изменяться в зависимости от ряда обстоятельств. Внутреннее сопротивление милливольтметра зависит от температуры окружающего воздуха. Сопротивление соединительных проводов изменяется в зависимости от температуры воздуха в помещении и поверхностей нагрева оборудования, если провода проложеиы вблизи них. Сопротивление термоэлектродов погруженной части термометра изменяется в зависимости от его нагрева средой, а сопротивление непогруженной части зависит от изменения температуры окружающего воздуха.

Значение относительного изменения показаний прибора, можно уменьшить, если он установлен на щите в специальном помещении, в котором температура воздуха близка к нормальной.

Для уменьшения изменения показаний милливольтметра, вызываемого отклонением сопротивления внешней цепи от заданного значения, целесообразно температурную шкалу прибора наносить с учетом повышения сопротивления термоэлектродов термометра при заданной глубине его погружения.

Кроме изменений показания прибора, связанных с изменением сопротивления внешней цепи и сопротивления самого милливольтметра, необходимо учитывать также возможные влияния от электростатических сил и магнитных полей.

Влияние электростатических сил вызывается появлением на поверхности стекла наличника прибора заряда (например, при протирании стекла сухой тряпкой). Заряд на сухом стекле держится довольно долго и отклоняет стрелку на значительный угол вдоль шкалы. Следовательно, тряпку при очистке стекла прибора желательно слегка увлажнить.

Внешние магнитные поля в значительно большей степени искажают показания приборов, измерительный механизм которых имеет внешний магнит, чем внутрирамочный. Даже поставленные рядом два неэкранированных милливольтметра (в пластиковом корпусе и с внешним магнитом) будут искажать показания друг друга. Также искажения показаний могут возникать при расположении рядом с прибором ферромагнитных масс (металл щита, на котором монтируется прибор, не должен быть сталью).

Искажения вследствие влияния магнитного поля уменьшаются, если корпус прибора выполнен из металла. Для неэкранированных переносных приборов, устанавливаемых рядом расстояние между осями подвижной части должно быть не менее 300 мм.

 

4. Для уменьшения числа показывающих милливольтметров, а также для осуществления измерений температур с помощью термоэлектрических термометров в технологических линиях и объектах по вызову применяют специальные переключатели (на 4, 6, 8, 12, 20 и более точек), позволяющие поочередно присоединять термометры или любой из них к одному милливольтметру.

Если шкала милливольтметра отградуирована в градусах Цельсия, то к прибору можно присоединять только термометры с равным сопротивлением внешней цепи и одной и той же градуировки.

Простейшая схема присоединения схема присоединения трех термометров к показывающему милливольтметру М через переключатель П показана на рисунке 6, где К – специальная коробка, в которой температура свободных концов термоэлектрического термометра t0 должна контролироваться с помощью вспомогательного термометра (на схеме не показан). Эта схема может быть использована для неответственных измерений температуры.

Рисунок 6. Схема присоединения показывающего милливольтметра в свободные концы термоэлектрических термометров с помощью переключателя.

На рисунке 7 приведена схема присоединения трех термоэлектрических термометров к показывающему милливольтметру М, включаемому в термоэлектрод В с использованием переключателя П и дополнительного блока Б, состоящего из устройства КТ и источника стабилизированного напряжения ИСН.

Рисунок 7. Схема присоединения показывающего милливольтметра в термоэлектрод термоэлектрических термометров с использованием переключателя и дополнительного блока.

Внутри соединительной коробки КС места соединений термоэлектродных проводов А₁ и В₁ с медными С должны иметь одну и ту же температуру

Если дополнительный блок Б, состоящий из устройства КТ и источника стабилизированного напряжения ИСН, будет рассчитан на присоединение нескольких термоэлектрических термометров, то возможно осуществить присоединение милливольтметра к свободным концам термометров, но это менее экономично чем по данной схеме (рис. 6).

 

5.

Задача 1.

Определить сопротивление добавочного манганинового резистора и полное сопротивление милливольтметра, если температурный коэффициент прибора равен , а сопротивление рамки 103 Ом.

Решение

Согласно уравнению сопротивление добавочного резистора равно:

Ом

И общее сопротивление прибора: Ом.

Задача № 2

Термоэлектрические термометр, состоящий из хромель-копелевой термопары типа ТХК и показывающего милливольтметра со шкалой, градуированной в °С, отрегулирован корректором нуля для работы при температуре свободных концов термопары °С.

В процессе измерения температура свободных концов термопары возросла до =50 °С. Определить действительную температуру измеряемой среды , если показание термометра (милливольтметра) =350 °С.

Решение.

Пользуясь таблицей номинальных статических характеристик преобразования термоэлектрических преобразователей температуры найдем величины т.э.д.с.:

- для температуры 350 °С Е_{ХК (350°, 0°)}=27,16 мВ;

- для температуры 25 °С Е_{ХК (25°, 0°)}=1,64 мВ;

- для температуры 50 °С Е_{ХК (50°, 0°)}=3,35 мВ.

Поправку на изменение температуры свободных концов вычисляем по формуле:

. (1.1)

Согласно уравнению (1.1) имеем: .

Развиваемая термопарой т.э.д.с. отклоняет стрелку милливольтметра по шкале от 25 до 350 °С, из чего следует, что ,

или .

Пользуясь градуировкой ХК, находим члены правой части равенства:

мВ

и мВ;

тогда мВ.

По уравнению (1.1) можем написать:

мВ.

что дает по градуировке ХК температуру = 370 °С.

 

Вопросы:

1. Что такое милливольтметр? Схемы присоединения к термопарам?

2. Классификация милливольтметров?

3. Можно ли к одному милливольтметру подключать несколько термопар? Какие условия при этом должны соблюдаться?

4. Погрешности, возникающие при работе милливольтметров и методы их устранения?

Домашнее задание:

1. Задача 1.

Определить сопротивление добавочного манганинового резистора и полное сопротивление милливольтметра, если температурный коэффициент прибора равен , а сопротивление рамки 123 Ом.

2. Задача 2.

Термоэлектрические термометр, состоящий из хромель-алюмелевой термопары типа ТХА и показывающего милливольтметра со шкалой, градуированной в °С, отрегулирован корректором нуля для работы при температуре свободных концов термопары °С.

В процессе измерения температура свободных концов термопары возросла до =52 °С. Определить действительную температуру измеряемой среды , если показание термометра (милливольтметра) =320 °С.

 

Литература:

1. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. – М.: Машиностроение, 1990. – 208 с.; ил.

2. Чистофорова Н.В., Колмогоров А.Г. Технические измерения и приборы. Учебное пособие. Ангарск, 2008. 200с.

3. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. – Москва. Энергия. 1979 – 704 с.

4. Туяхов А.И. Практическая метрология и измерения. Учебное пособие. – Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. – 308 с