Приборы, работающие с термометрами сопротивления и термоэлектрическими преобразователями

 

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термоэлектрическими термометрами, используются магнитоэлектрические милливольтметры, потенциометры и нормирующие преобразователи.

В практике технических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации термопреобразователей сопротивления получили применение мосты постоянного тока.

 

Милливольтметры

Милливольтметры — магнитоэлектрические приборы, ра­бота их основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Рисунок 8 - Милливольтметр:

1-магнит, 2-сердечник, 3-спиральная пружинка, 4-рамка, 5-добавочный резистор

 

Магнитная система милливольтметра состоит из магнита 1, полюсных на­конечников и цилиндрического сердечника 2. В кольцевом воз­душном зазоре между полюсными наконечниками и сердечни­ком вращается рамка 4 из медного или, реже, алюминиевого изо­лированного провода. Чаще всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Мо­мент, противодействующий вращению рамки, создается спираль­ными пружинами, которые одновременно служат и для подво­да тока к рамке.

На конце стрелки подвешиваются грузики, которые уравновешивают подвижную систему так, что центр тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вы­зывает появление двух одинаковых сил, направленных в раз­ные стороны и стремящихся повернуть рамку.

Сила тока протекающего по рамке определяется т.э.д.с. термоэлектрического преобразователя Ex и сопротивлением электрической цепи R:

J = Ex/R

Сопротивление цепи складывается из сопротивления преобразователя R т, сопротивления соединительных проводов R c.п и сопротив­ления рамки R p

R=R т +R с.п + Rр

Тогда угол поворота определяется по формуле:

φ = kEx/(R т +R с.п + Rр )

Из этого уравнения следует, что для получения однознач­ной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от т. э. д. с. необходимо, чтобы сопротивление цепи оставалось всег­да постоянным. Но если при стационарных условиях работы милливольтметра сопротивление рамки Rp можно считать прак­тически постоянным, то сопротивление ТЭП Rт колеблется при измерении измеряемой температуры. Сопротивление со­единительных проводов Rc.n при изменении температуры окру­жающей среды также приводит к появлению погрешности из­мерения.

Для снижения погрешности измерения увеличивают сопротивление цепи последовательным подключением к рамке дополнительного сопротивления Rд ( рис. 9) в виде катушки из манганиновой проволоки (с практически неизменя­ющимся сопротивлением при изменении температуры). Для получения правильных показаний дейст­вительное значение

R в = R т + Rc.п

должно соответствовать расчетному.

 

 

Рисунок 9 - Схема включения соединительных проводов

Потенциометры

Принцип действия потенциометров (рис.10) основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. изве­стной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов со­здается в потенциометре посторонним источником энергии.

Сигнал с термопары E(t₂t₀) сравнивается с компенсирующем напряжением Uк, снимаемым с диагонали неуравновешенного моста.

Мостовая схема является более усовершенствованной (по сравнению с милливольтметром) и позволяет постоянно вводить коррекцию на изменяющуюся температуру свободных концов.

Если E(t₂t₀) не равно Uк, то на вход вибропреобразователя (ВП) подаётся сигнал разбаланса:

ΔU = E(t₂t₀) -Uк

В вибропреобразователе преобразуется сигнал напряжения постоянного тока в электрический сигнал переменного тока, который затем усиливается в усилителе (>) и подаётся на реверсивный двигатель (РД).

РД перемещает одновременно движок реохорда Rр и стрелку относительно шкалы прибора. Изменение положения движка реохорда приводит к такому изменению U к, которое влечёт за собой изменение измеряемой т.э.д.с., т.е. устанавливается равенство или

ΔU = E(t₂t₀) –Uк=0

На вход усилителя поступает нулевой сигнал и РД остаётся в том же положении, т.е. прибор автоматически компенсирует измеряемый сигнал с известным напряжением.

Потенциометр – многоточечные приборы (от 3 до 24 датчиков), самопишущие, показывающие, имеют блок сигнализации и блокировки.

Типы – КСП1, КСП2, КСП3, КСП4, ФЩЛ.

Рисунок 10 - Схема упрощённого автоматического потенциометра

 

Логометры

Логометры предназначеныдля измерения темпе­ратуры с помощью термометров сопротивления. Логометры по­строены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и постоянного сопротивления.

 

Рисунок 11 - Принципиальная (а) и электрическая (б) схемы логометра

 

Логометр представляет собой двухрамочный магнитоэлектрический миллиамперметр. Подвиж­ная часть его (рис. 11, а) состоит из двух рамок 1 и 2, жест­ко скрепленных одна с другой и соединенных со стрелкой, ко­нец которой перемещается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре пе­ременной ширины между полюсами S и N постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керновых опорах. Обе рамки питаются от общего источника постоянного то­ка Б с напряжением Еб. Последовательно с рамкой 1 включа­ется постоянное сопротивление Rк, а последовательно с рам­кой 2— термометр Rt.

Магнитные моменты, возникающие в рамках, соответствен­но равны

M₁ = k₁B₁I₁

M₂= k₂B₂I₂

где k₁ и k₂ — постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими раз­мерами рамок и числом витков проводов в них;

B₁ и В₂ — магнитные индук­ции в местах расположения рамок.

В различных точках зазора переменной ширины магнитная индукция будет различной. Отношение индукций B₁: В₂ для жестко скрепленных рамок зависит от угла поворота рамок:

φ = f(B₁/ В₂)

В положении равновесия, когда:

М₁ = М₂

магнитные моменты рамок будут равны

k₁B₁ I₁ = k₂B₂I₂

или

B₁/ В₂ = k₂I₂ / k₁I₁

Откуда угол поворота рамок

φ = f(I₁/ I₂) = f [(Rp’ + Rк)/(Rp’’ + Rt)]

или, учитывая, что Rp’, Rp’’ и Rк практически постоянны

φ = f(Rt)

Для повышения чувствительности реальных схем включают рамки логометра Rp’ и Rp’’ в диагональ неуравновешенного мо­ста с постоянными сопротивлениями R₁, R₂ и R₃ (рис. 11,6). Манганиновое R₄ и медное R₅ сопротивления служат для умень­шения общего температурного коэффициента логометра (при изменении температуры окружающей среды).

Типы логометров: Л-64, ЛР-64, Ш-6900.

 

Мосты

Для измерения сопротивления термометров можно применять обычные в электротехнике мостовые схемы: уравновешенные и неуравновешенные.

Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис. 9.

 

Рисунок 12 - Простейший уравновешенный мост.

Термометр сопротивления Rt и расположенные последовательно с ним два сопротивления Rл соединительных линий включены в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DB моста подаётся напряжение от батареи Б. Изменяя сопротивления R₃, добиваются равенства напряжения в точках А и С, что подтверждается отсутствием тока в диагонали АС гальванометром G.

Сопротивление линии 2Rл с помощью подгоночной катушки устанавливаются постоянными. Сопротивления R₂ и R₁ постоянны и выполнены (так же как и сопротивление R₃)из манганина.

Мостовая схема, изображенная на рис. 12, обладает высокой точностью измерения и практически не зависит от напряжения батареи Б. При нулевом отсчете по гальванометру, отпадают погрешности, обусловленные температурой окружаю­щей среды и посторонними магнитными воздействиями.

Схема уравновешенного моста с трёхпроводным включением термометра сопротивления представлени на рис. 13.

Рисунок 13 - Уравновешенный мост с трёхпроводным включением термометра сопротивления

В этой схеме передвижной контакт не относится к сопротивлению плеча АВ, а включен в диагональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при нулевом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивле­ния Rл соединительных линий питание моста (точка В) пере­несено непосредственно к термометру. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения Rл с по­мощью отдельных подгоночных сопротивлений в каждой линии. Недостаток уравновешенных мостовых схем (необходимость выполнения ручных манипуляций) устранен в схемах неуравно­вешенных мостов.

 

На рис. 14 показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления Rt, включенного по трехпроводной схеме.

 

Рисунок 14 - Неуравновешенный мост

 

В диагональ моста СА включается вместо гальванометра миллиамперметр тА. Напряжение питания моста в диагона­ли BD должно поддерживаться постоянным. Контроль напря­жения в диагонали BD осуществляется включением контроль­ного сопротивления Рк. (при положении 2 переключателя).

Для установленного значения напряжения при постоянных сопротивлениях плеч R₁, R2, R₃ и R4 ток в диагонали СА будет иметь определенное значение, что контролируется миллиампер­метром. Отклонение от установленной величины тока корректи­руется сопротивлением Rрег.

После того как установится напряжение Е_БD в точках В и D, переключатель ставят в положение 1 и измеряют сопротив­ление Rt.

 

 

Контрольные вопросы

1 Дать определение температуре

2 Что является основной единицей измерения температуры?

3 Привести классификацию приборов температуры в зависимости от принципа действия

4 В чем заключается принцип действия термоэлектрических преобразователей температуры (термопар)?

5 Перечислить основные материалы, используемые для изготовления чувствительных элементов термопар

7 На чем основан принцип действия термопреобразователей сопротивления?

8 Перечислить основные типы термопреобразователей сопротивления

9 Какие приборы используются в качестве вторичных при работе с термопарами?

10 Объяснить принцип действия милливольтметров

11 Объяснить принцип действия потенциометров

12 Какие приборы используются в качестве вторичных при работе с термопреобразователями сопротивления?

13 Объяснить принцип действия логометра

14 Привести простейшую схему уравновешенного моста и пояснить ее принцип действия