Краткие теоретические сведения. В основу измерения температуры с помощью термопар положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том

4.2.1. Термопары

В основу измерения температуры с помощью термопар положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют различную температуру.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников называется термопарой. Спай, имеющий температуру t, называется горячим или рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t₀– холодным или свободным (рис. 1).

Проводники называются термоэлектродами.

Термо-Э.Д.С. термопары E_AB(t;t₀) = f(t)

при условии t₀ = const.

Термопара градуируется при определенной постоянной температуре холодного спая (обычно при t₀ = 0 °C, реже при t₀ = 20 °C).

При измерениях температура холодного спая может быть иной, не равной температуре градуировки. В этом случае необходимо вносить поправку.

Любая пара разнородных проводников может образовать термопару, однако не всякая термопара будет пригодна для практического применения, так как современная техника предъявляет к материалам термоэлектродов определенные требования:

1.Устойчивость к воздействию температур,

2.Постоянство термо-Э.Д.С. во времени,

3.Возможно большая величина термо-Э.Д.С. и однозначная зависимость от температуры,

4.Небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводимость,

5.Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимозаменяемость термопар.

По ГОСТ на технические термопары с металлическими термоэлектродами принято пять типов термопар.

ТПП – платинородий – платиновая термопара,

ТПР – платинородий – платинородиевая термопара,

ТХА – хромель – алюмелевая термопара,

ТНС – термопара из сплава НК-СА,

ТХК – хромель – копелевая термопара.

Стандартные термопары ТХА, ТНС, ТХК изготовляются из проволоки диаметром 0,7 – 3,2 мм и изолируются керамическими бусами.

Термопары ТПП и ТПР изготовляются обычно в виде проволоки диаметром 0,5мм и 1мм, которая изолируются бусами или фаРКоровыми трубками.

4.2.2. Потенциометры

В качестве вторичных приборов в комплекте с термопарами используются пирометрические милливольтметры и потенциометры.

Потенциометры делятся на переносные, лабораторные и автоматические.

В потенциометрах используются компенсационный метод измерения, состоящий в уравновешивании измеряемого напряжения известной разностью потенциалов, снимаемой с калиброванного сопротивления.

Цепь потенциометра (рис. 2) состоит из двух замкнутых цепей, имеющих общее сопротивление участка реохорда.

В каждой цепи имеется свой источник Э.Д.С. E₁ и E₂.

Реохорд R_Р – строго калиброванная по сопротивлению проволока.

В цепь источника E₂ (термопары) включен чувствительный нуль-гальванометр, представляющий сопротивление R_Т.

В эту же цепь включено сопротивление R_П, представляющее собой сопротивление всех подводящих проводов и переходных сопротивлений в соединениях.

Ток на участке реохорда I_c = I₁ + I₂.

Согласно второму закону Кирхгофа:

для контура источника E₂ будем иметь:

(1)

так как I_cR_ав = I₂R_ав + I₂R_ав, выражение (1) можно переписать в следующем виде:

откуда

(2)

Передвигая точку (В) по реохорду, можно найти положение движка, при котором I₂ = 0 (стрелка нуль-гальванометра в нулевом положении). В этом случае числитель выражения (2) будет равен 0.

E₂ – I₁R_ав= 0 или E₂ = I₁R_ав.

Но I₁R_ав = U_ав представляет собой падение напряжения на участке реохорда (ав) от источника тока Е₁.

С другой стороны:

откуда следует:

(3)

Так как величины E₁ и R_ас постоянны и известны, а величина R_ав отсчитывается по шкале реохорда то, зная положение движка реохорда, соответствующее моменту компенсации, нетрудно определить по (3) значение E₂.

Обычно у лабораторных и переносных потенциометров шкала реохорда градуируется непосредственно в милливольтах.

Из формулы (3) видно, что измеряемая потенциометром Э.Д.С. (E₂), при условии, что I₂ = 0, равна падению напряжения на участке реохорда (ав) от источника E₁ и не зависит ни от сопротивления соединительных приборов и переходных сопротивлений.

Это положение представляет большое преимущество компенсационного метода измерения Э.Д.С.

Так как Э.Д.С. источника E₁ в процессе его разряда уменьшается, то в потенциометре предусматривается возможность регулировки тока в цепи источника питания E₁. С этой целью в цепи источника питания E₁ (рис. 3) кроме реохорда включены регулировочное сопротивление R_рег и сопротивление R_нэ, предназначенные для установки рабочего тока. Периодически, для проверки рабочего тока, переключатель (П) ставят в положение (К), подключая при этом к точкам da нормальный элемент (НЭ) вместе с последовательно включенным нуль-гальванометром (Н/Г).

Обычно в качестве эталона Э.Д.С. принимают нормальный элемент Вестона, который при 20 °С развивает Э.Д.С. равную 1,0185В.

Ток в цепи источника питания регулируется сопротивлением до тех пор, пока падение напряжения на R_нэ не будет равным Э.Д.С. нормального элемента. При этом стрелка нуль-гальванометра станет на нулевую отметку шкалы. После нормализации тока переключатель (П) ставят в положение (И) и измеряют Э.Д.С., развиваемую термопарой.

В автоматических потенциометрах компенсация осуществляется с помощью электромеханической следящей системы: в них рассогласование между измеряемым напряжением и компенсирующей разностью потенциалов используется в качестве управляющего сигнала для исполнительного механизма (реверсивного двигателя), перемещающего движок калиброванного реохорда. В момент отсчета компенсация является полной, и о величине измеряемого напряжения судят по положению движка реохорда.

На (рис.4) дана принципиальная схема электронного автоматического потенциометра.

Измерительная схема представляет из себя мост, образованный четырьмя резисторами R₁, R₂, R₄, R₈ и реохордом R₅ с шунтом R₆ и подгоночным сопротивлением R₇.

В диагонали ab последовательно с ЭУ включен термопреобразователь T. Включение выполнено через фильтр служащий для уменьшения влияния наводок от электромагнитных полей в цепи термопары. В другую диагональ моста cd включен источник стабилизированного питания ИПС, обеспечивающий постоянство рабочего тока в измерительной схеме.

Если измеряемая Т.Э.Д.С. E(t;t₀) полностью компенсируются разностью потенциалов U_ав­ на вершинах моста ab, то напряжение на входе в усилитель равно нулю: DU = E(t;t₀) – U_ав = 0. При изменении измеряемой Т.Э.Д.С. возникает напряжение разбаланса постоянного тока, которое, поступая в ЭУ, преобразуется в напряжение переменного тока и усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя М₁. Направление вращения ротора РД зависит от знака разбаланса DU, т.е. от того, в какую сторону изменяется напряжение Т.Э.Д.С.

РД с помощью механической передачи (шкива и троса) передвигает движок реохорда до достижения компенсации и одновременно перемещает каретку указателя с пером или печатающей головкой.

После установления равновесия в измерительной схеме напряжение разбаланса на входе в усилитель исчезает и двигатель останавливается. Таким образом, каждой измеряемой Т.Э.Д.С. соответствует определенное положение движка реохорда и указателя на шкале потенциометра.

Резистор R₁ изготавливается из медной проволоки и служит для автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. С этой целью он располагается на клеммной панели прибора, в том месте, где подключаются термоэлектродные провода. Изменение, например, увеличение температуры свободных концов, вызывает одновременное снижение развиваемой термопарой Т.Э.Д.С. и увеличение сопротивления R₁. При этом падение напряжения на R₁ увеличивается и происходит уменьшение U_ав, которое компенсируют соответствующее снижение Т.Э.Д.С.

Резистор R₈ – для настройки конца шкалы. Резистор R₄ предназначен для начала шкалы потенциометра, резисторы R₆ и R₇ – для подгонки сопротивления реохорда с учетом градуировки термопары и диапазона измерений. СД-М₂ служит для привода механизма передвижения диаграммы.