Никитин В.А., Бойко С.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

рисунок 14.139). Однако здесь предусматриваются два контура компенсации

напряжения // и

III. Контур ///, содержащий в цепи резистор R

из медной

проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру

свободных концов термоэлектрического преобразователя. Свободные концы

термоэлектрического преобразователя

АВ с помощью удлинительных проводов

FD подводятся к резистору R

и находятся при одной с ним температуре.

Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из

манганина. Для питания контуров // и /// в современных автоматических

потенциометрах вместо батареи постоянного тока (сухого элемента)

используется источник стабилизированного питания

ИПС, в котором входное

напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в

выходное напряжение постоянного тока 5 В (погрешность стабилизации ± 5

или ± 10 мВ соответственно для классов точности 0,1 и 0,2) при нагрузке 1000

Ом и токе нагрузки

, равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра

напряжение между точками

d и k U

=1019 мВ. Благодаря использованию ИПС

в автоматических потенциометрах установка рабочего тока осуществляется

через несколько тысяч часов непрерывной работы, кроме того, упростилась

кинематика механизма и повысилась надежность прибора.

Рисунок 14.141 - Измерительная схема автоматического потенциометра

Подключение к клеммам

и К

нормального элемента E

НЭ

последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для

контроля рабочего тока

лишь при поверке и градуировке потенциометра. При

этом

НЭ

. Обычно R

=509,3 Ом, тогда I

=2 мА; R

—резистор для

установки рабочего тока

; R

ПР

— значение сопротивления реохордной группы,

состоящей из трех параллельно соединяемых резисторов: собственно реохорда

, шунта R

и сопротивления R

. Такое исполнение реохордной группы

связано с тем, что реохорд

является ответственным узлом, предназначенным

для измерения. Поэтому он изготавливается из проволоки специального сплава.

При необходимости изменения сопротивления на участке

аb, что бывает

связано с изменением диапазона измерения, изменяют общее сопротивление

ПР

этого участка за счет изменения R

, а иногда и R

, оставляя при этом R

стандартным. Резисторы

и R

служат для установления начального значения

шкалы прибора и значения тока

=3 мА. В качестве нуль-индикатора НИ в

автоматических потенциометрах используется электронный усилитель

ЭУ, на

входе которого установлен модулятор

МОД для преобразования сигнала

небаланса напряжения постоянного тока

∆

в переменное напряжение. Для

предохранения усилителя от наводок и помех, возникающих в цепи

термоэлектропреобразователя под влиянием электромагнитных полей,

предусмотрен фильтр, состоящий из сопротивления

и конденсатора С

Рассмотрим работу автоматического потенциометра. Пусть при некотором

значении измеряемой термоЭДС

(tt

) и некотором положении движка

реохорда С ток в контуре измерения // равен нулю, т. е.

(tt

)

скомпенсировано падением напряжения

на участке cbde. Тогда сигнал

небаланса

(

)

ceAB

UttEU −=∆

равен нулю. При сигнале 0≠∆

на выходе

усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком небаланса

формируется управляющий сигнал, при котором реверсивный двигатель

РД

перемещает движок реохорда С до тех пор, пока

∆

не станет равным нулю.

Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель

У.

Сведение к нулю небаланса

∆

, т. е. достижение полного равенства

компенсирующего напряжения

измеряемой термоЭДС E

(tt

), реализуется

благодаря тому, что система автокомпенсации является астатической. Свойство

астатичности достигается из-за наличия в системе регулирования небаланса

интегрирующего или астатического звена, в качестве которого выступает здесь

реверсивный двигатель.

Разберем теперь, как осуществляется автоматическое введение поправки

на температуру свободных концов термоэлектропреобразователя.

При некоторой температуре

t рабочего спая и температуре свободных

концов

=0 имеет место равенство (14.79)

()

0 EDbdcbceAB

UUUUttE

−

(14.79)

Пусть при той же температуре рабочего спая

t температура свободных

концов изменилась:

tt >

′

. Тогда термоЭДС ТЭП уменьшится на













′

ttE

станет равной

()

0000













′

−=













′

ttEttEttE

ABABAB

Повышение температуры от t

до

′

t приведет к увеличению значения сопротивления резисторы от

()

R до

()

′

R , т.е. на

() ()

RRR −

∆

′

Вследствие этого падение напряжения на

этом резисторе увеличится на

Med

RIU

∆

, тогда получаем равенство (14.80)

() ( )

0000 edceededbdcbABABAB

UUUUUUttEttEttE ∆−=∆+−+=













′

−=













′

(14.80)

Таким образом, при неизменной температуре рабочего спая

t и любой

температуре свободных концов

′

t для того, чтобы движок С не перемещался и

не изменялось показание прибора, т. е. Для того, чтобы небаланс

∆ равнялся

нулю, необходимо обеспечить условие (14.81) /8/

200 MedAB

RIUttE ∆=∆=













′

(14.81)

Значение сопротивления медного резистора

(

)

R при t=0 °С

определяют из (14.81), учитывая, что входящее сюда значение

R∆ равно

()













−

′

=∆ ttRR

Следовательно получим формулу (14.82) /8/

()

002













−

′













′

ttI

ttE

(14.82)

где

— температурный коэффициент электрического сопротивления

меди;

I = 2 мА;

′

t — принимают равным 50 °С.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры,

различаясь конструктивным исполнением, имеют практически одну и ту же

типовую измерительную схему, подобную приведенной на рисунке 14.141.

При решении задач автоматического контроля и регулирования на

практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности

измерения температуры конкретного объекта изменить стандартные пределы

измерения на заданный диапазон. Значения сопротивления резисторов

измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих

соотношений.

Для заданных начального

min

и конечного t

max

значений температуры по

шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют

()

0max

ttE

()

0min

ttE

Падение напряжения U

на сопротивлениях реохордной группы

равно диапазону измерения прибора, т. е. Падение напряжения можно

вычислить по формуле (14.83) /8/

(

)

(

)

001

ttEttERIU

MINABMAXABПРab

−

(14.83)

Отсюда определяют значение

ПР

, принимая I

=3 мА. Так как

ПЭ

ПР

= , ,

ШP

= R

=130 Ом и R

=90 или 100 Ом,

По найденному значению

ПР

определяют R

. Значение R

подбирают из

условия (14.84) /8/

()

(

)

210

MHbeMINAB

RIRIUttE

−

(14.84)

Из (14.84) следует (14.85) /8/

(

)

(

)

[

]

120

IRIttER

MMINABH

(14.85)

Значение резистора

определяется из условия постоянства тока

=3мА, и определяется по формуле (14.86) /8/

(

)

(

)

[

]

MKdkHпрб

RRIURRRI

(14.86)

откуда получаем (14.87) или (14.88)

(

)

[

]

{

}

12112

IRIRIRIRIR

MHПРKб

−

, (14.87)

(

)

[]

1`012

IttERIRIR

MINABПРKб

−

(14.88)

Автоматические потенциометры конструктивно, а также по

дополнительно выполняемым функциям имеют ряд модификаций. Различают

полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные автоматические

потенциометры с шириной диаграммной ленты 250, 160 и 100 мм.

Автоматические потенциометры выпускают в виде показывающих и

самопишущих, одно- и многоточечных. В них могут встраиваться

регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для

передачи показаний на расстояние с помощью токовых, частотных,

пневматических и ферродинамических преобразователей.

В зависимости от модификации классы точности прибора равны 0,25;

0,5 и 1,0. Несмотря на различия в конструктивном исполнении приборов и в их

габаритных размерах измерительная схема автоматических потенциометров

практически не отличается от схемы на вышеприведенном рисунке.

14.5.4 Нормирующие преобразователи термоЭДС

Для введения информации от ТЭП в ЭВМ или в систему

автоматического регулирования широко применяются нормирующие

измерительные токовые преобразователи. Они предназначены для

преобразования сигнала ТЭП в унифицированный сигнал постоянного тока 0 -

5 мА.

В основу работы нормирующего преобразователя положен

компенсационный метод измерения термоЭДС с использованием схемы

потенциометра с переменной силой рабочего тока. Схема преобразователя

приведена на рисунке 14.142 Здесь / — контур измерения; // — контур

компенсации. Контур / содержит корректирующий мост

К.М, усилитель У

токовым выходом

ВЫХ

и резистор R

КН

. К контуру / с помощью удлинительных

проводов

F и D подсоединен ТЭП AВ. Корректирующий мост предназначен

для введения автоматической поправки на изменение температуры свободного

конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях,

нижний предел измерения которых не равен 0 °С. К диагонали

аb питания

моста подведено стабилизированное напряжение постоянного тока. Резисторы

, R

и R

—манганиновые, резистор R

— из медного провода. Усилитель У

состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной

двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя

УП, работающего

в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У

выполняет функции нуль-

индикатора.

Контур компенсации

II включает в себя резистор R

и усилитель

обратной связи

. Этот усилитель аналогичен усилителю У

, но включен с

глубокой отрицательной связью по выходному току усилителя. Выходной ток

усилителя У

является рабочим током контура // и при прохождении этого

тока по сопротивлению

на нем со стороны контура // создается

компенсирующее напряжение

KHOCKH

RIU

. Со стороны контура / к резистору

подводится сигнал термоэлектропреобразователя













′

ttE

, сложенный с

напряжением

, создаваемым в измерительной диагонали сd

корректирующего моста

КМ. Это напряжение, как указывалось, равно поправке

на температуру свободных концов ТЭП, т. е. .













′

= ttEU

ABcd

Таким образом,

этот суммарный сигнал, равный

() ()

000 cdABABAB

UttEttEttE +













′

== сравнивается с напряжением U

. Небаланс,

равный

()

0 KHAB

UttEU −=∆ подается на усилитель У

, где этот сигнал

постоянного тока

∆

преобразуется сперва в магнитном усилителе УМ в

сигнал переменного тока, затем усиливается и опять преобразуется в сигнал

постоянного тока, который дополнительно усиливается в полупроводниковом

усилителе

УП постоянного тока. Выходной сигнал усилителя У

создает ток

ВЫХ

, который поступает во внешнюю цепь R

ВН

и далее через делитель — в

усилитель обратной связи

. Выходной ток I

усилителя У

изменяется и

изменяет падение напряжения

на резисторе R

до тех пор, пока небаланс

∆ не достигнет некоторой малой величины

, называемой статической

ошибкой компенсации.

Рисунок 14.142 - Схема нормирующего токового преобразователя,

работающего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем

Наличие статической ошибки компенсации приводит к тому, что в

контуре измерения / проходит недокомпенсированный ток. При этом чем

больше измеряемая термоЭДС, тем больше этот ток.

Исключить эту ошибку в устройствах, выполненных по статической

автокомпенсационной схеме, принципиально невозможно, так как выходной

ток преобразователя

ВЫХ

и ток контура компенсации I

определяются

наличием этой ошибки и пропорциональны ей. В то же время статическая

ошибка автоксмпенсационной схемы может быть значительно уменьшена, если

использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

Рассмотрим теперь математическую связь между измеряемой термоЭДС

()

ttE

и выходным током преобразователя I

ВЫХ

. В соответствии со сказанным

выше, связь показывается равенством (14.89) /8/

(

)

0 KHAB

UttEU

−

∆

(14.89)

На выходах усилителей

и У

формируются сигналы, для которых

справедливы равенства (14.90), (14.91) /8/

ВХ

ВХВЫХ

kIkI

∆

(14.90)

2 ВЫХOC

IkI

(14.91)

где

и k

— коэффициенты усиления усилителей У

и У

;

BXBX

RUI /∆= —ток, создаваемый во входной цепи усилителя

сигналом ;

— сопротивление входной цепи усилителя У

Падение напряжения (14.92) на резисторе

с учетом (14.91) составит

/8/

2 KHВЫХKHOCKH

RIkRIU

(14.92)

Подставляя в выражение (14.89)

∆

из (14.90) и U

из (14.92),

находим

вых

по формуле (14.93) /8/

(

)

ttkEI

ABВЫХ

(14.93)

где

KHBX

RkkR

= - коэффициент преобразования нормирующего

преобразователя (при

(

)

Rkkk

/1,

∞→ ).

Таким образом, выходной токовый сигнал нормирующего

преобразователя пропорционален откорректированному по температуре

свободного спая сигналу ТЭП.

В зависимости от диапазона входного сигнала нормирующие

преобразователи, работающие в комплекте с ТЭП, имеют классы точности

0,6—1,5.

14.6 Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления

основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое

электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно

известна зависимость между электрическим сопротивлением

термопреобразователя сопротивления и его температурой

t (т. е. R

= f(t) —

градуировочная характеристика), то, измерив

, можно определить значение

температуры среды, в которую он погружен. Термопреобразователи позволяют

надежно измерять температуру в пределах от - 260 до + 1100°С. К

металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления

предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность

градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость,

обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей

сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся:

линейность функции

= f(t) , по возможности высокое значение

температурного коэффициента электрического сопротивления

большое удельное сопротивление и

невысокая стоимость материала.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он

отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения

100

(где R

и R

100

— электрические сопротивления металла при 0 и

100 °С соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в

нем механических напряжений, принято характеризовать значениями

100

. При снятии механических напряжений в металле путем его отжига

указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного

металла. Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0

до 100 °С характеризуется коэффициентом

(

)

100/

00100100,0

⋅

RRR

. Металлы

имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для

большинства чистых металлов он равен 4-10-

—6.10-

3 о

-1

, что составляет

увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на

один градус примерно на 0,4—0,6 % от сопротивления при 0 °С. Для

изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в

настоящее время применяют платину и медь. Платина является наилучшим

материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко

получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически

инертна и окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно

большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94-10-

°С-

, и

высокое удельное сопротивление 0,1 - 10-

Ом-м. Платиновые преобразователи

сопротивления используются для измерения температуры от - 260 до + 1100 °С,

при этом для диапазона температур от - 260 до +750 °С используются

платиновые проволоки диаметром 0,05 - 0,1 мм, а для измерения температур до

1100 °С, в силу распыления платины при этих температурах, диаметр

проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения

100

для

применяемых платиновых проволок составляет 1,3850—1,3910. Платиновые

термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными

преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы.

Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве

рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних

осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в

диапазоне от - 182,97 до 630,5 °С. Недостатком платины является нелинейность

функции

=f(t) и кроме того, платина — очень дорогой металл. Медь — один

из недорогостоящих металлов, легко получаемых и чистом виде. Медные

термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения

температуры в диапазоне от —50 до +200 °С. При более высоких температурах

медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки

обычно 0,1 мм, а значение отношения

100

составляет 1,4260 - 1,4280. В

широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры

линейна и имеет вид

()

tRR

= где .1026,4

13 −−

⋅= C

Никель и железо

благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам

электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя

и используются для измерения температуры в диапазоне от - 50 до + 250 °С,

однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная

характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и

потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов,

не стандартизованы. Конструкция технических термометров с металлическим

.термопреобразователем сопротивления показана на рисунке 14.143.

Тонкая проволока или лента / из платины или меди наматывается

бифилярно на каркас

2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы.

Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного

сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой

проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной

части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм,

а с медной—40 мм. Каркас

для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу

а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части

каркаса между последней и защитной гильзой

3 устанавливаются упругие

металлические пластинки

4 или массивный металлический вкладыш. Помимо

наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные

керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые

спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на

основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления

применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала

используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую

фторопластовой пленкой. Гильзу

3 с её содержимым помещают во внешний,

обычно стальной, замкнутый чехол

5, который устанавливается на объекте

измерения с помощью штуцера

6. На внешней стороне чехла располагается

соединительная головка

8, в которой находится изоляционная колодка 7 с

винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через

изоляционные бусы

9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду

и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.

Динамическая характеристика термопреобразователей может быть

представлена передаточной функцией вида

()

−

= где К—

коэффициент преобразования; Т и

— постоянная времени и время

запаздывания соответственно. Значения

Т и

зависят от размеров защитного

чехла и его материала, теплоемкости элементов, находящихся в чехле, а также

от условий теплообмена. Так, при скачкообразном нагреве от 30 до 100 °С в

баке с водой для термопреобразователя со стальным чехлом 8

с и Т =120 с, а

для латунного чехла 3

с и Т=33 с .

Рисунок 14.143 - Конструкция термометра с металлическим

термопреобразователем сопротивления

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

применяются для измерения температуры от —100 до 300 °С. В качестве

материалов для них используются различные полупроводниковые вещества —

оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой

отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении

температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается

на 3—5 %, что делает их очень чувствительным к изменению температуры.

Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому

даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным

электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен килоОм), что

позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов

измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых

термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного

измерения температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в

интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением

)/exp(

TBATR

= . В узких интервалах температур (не более 25 °С)

используется более простое выражение

=А eхр (В/Т) (где R

—сопротивление

при температуре

Т, К; A, Ь, В—постоянные коэффициенты, зависящие от

свойств материала полупроводника).