Измерительные схемы для термопар

Наиболее широко используется компенсационный метод измере-

ния термоЭДС. Этот метод основан на компенсации неизвестной

термоЭДС, развиваемой термопарой ТП, известным падением рабо-

чего напряжения Up, создаваемым током от дополнительного источ-

ника питания Un (рис. 3.5, а).

Замкнутый контур I содержит дополнительный источник Un и

реохорд Rp. Реохорд представляет собой переменный резистор из

тонкой калиброванной проволоки (выполненной из специального

сплава), намотанной на цилиндрический стержень и снабженный

подвижным контактом для изменения сопротивления. Этот контур

называется компенсационным. Второй контур II (контур abed) вклю-

чает в себя термопару (ТП), термоЭДС, Етп которой измеряется,

чувствительный гальванометр, выполняющий функции нуль-

индикатора (НИ), а также часть реохорда rр от точки d до подвижно-

го контакта с движком реохорда. Источник измеряемой термоЭДС

Етп включен встречно с дополнительным источником U„ так, что токи

от обоих источников на участке гр идут в противоположных направ-

лениях. Для контура abed на основании второго закона Кирхгофа

можно записать:

Подставляя равенство (3.21) в (3.20), для падения напряжения на

термопаре получим, что

Равенство нулю тока через НИ означает, что ток в контуре II не

протекает, следовательно, потребления мощности от ТП не проис-

ходит, т. е.

Изменение сопротивления rv на участке cd реохорда прямо про-

порционально линейному перемещению движка реохорда Rp,

т. е. измерительная шкала линейная и прибор можно проградуировать

в единицах измерения термоЭДС. Для сохранения градуировки не-

обходимо в равенстве (3.23) обеспечить постоянство рабочего тока,

т. е. Iр = к = const. Для этого в схеме предусмотрены миллиамперметр

(мА) без оцифрованных отметок и переменное балластное сопро-

тивление R6. Перед измерением, в связи с тем что источник питания

со временем меняет свое напряжение Un, проводится контроль рабо-

чего тока. Для этого изменением сопротивления R6 стрелка милли-

амперметра подводится к соответствующей отметке на шкале. Таким

образом, компенсационная схема работает в двух режимах: 1) кон-

троль рабочего тока (мА); 2) измерение (НИ). Для подключения

термопары к измерительной схеме применяется проводная линия

связи, имеющая свое сопротивление R„c. Под воздействием темпера-

туры окружающей среды его значение изменяется, но так как в момент

отсчета результата измерения ток в контуре abed равен нулю, потре-

бление энергии в линиях связи отсутствует, т. е. изменение сопротив-

ления линии связи, а также внутреннего сопротивления термопары

при изменении температуры окружающей среды на результат измере-

ния в компенсационных схемах не влияет.

Компенсационный метод измерения термоЭДС реализован в ав-

томатических потенциометрах (рис. 3.5, б). В данной схеме из-

меряемая термоЭДС компенсируется (уравновешивается) напряже-

нием измерительной диагонали моста, работающего в неуравнове-

шенном режиме. В качестве нуль-индикатора в автоматических

потенциометрах используется электронный усилитель (ЭУ).

Для питания мостовой измерительной схемы используется источ-

ник стабилизированного питания ИПС, в котором напряжение пере-

менного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное на-

пряжение постоянного тока 5 В. При помощи сопротивления Ry

напряжение на диагонали питания моста Uab устанавливается равным

1,019 В. Следует отметить, что сопротивление стабилизации Ry подо-

брано с малым температурным коэффициентом сопротивления

(ТКС), что обеспечивает его постоянство при изменениях темпера-

туры окружающей среды. Таким образом, происходит стабилизация

рабочих токов I₁ и I₂ в ветвях моста.

Процесс измерения основан на постоянном контроле равенства

термоЭДС Етп и напряжения Ucd, возникающего на измерительной

диагонали мостовой схемы (между точками c u d ):

Если это равенство нарушается, на входе ЭУ появляется напряже-

ние ∆U, которое будет равно ∆U = Е1П — Ucd. На выходе ЭУ форми-

руется управляющий сигнал, под действием которого ротор ревер-

сивного двигателя (РД) поворачивается на определенный угол, про-

порциональный абсолютному значению напряжения ∆U (направление

угла поворота ротора РД зависит от знака напряжения ∆U). Угловое

перемещение ротора РД преобразуется в линейное перемещение

движка реохорда, т. е. компенсация осуществляется за счет изменения

параметра λ в равенстве (3.24). Движок реохорда Rw перемещается

до тех пор, пока сигнал разбаланса не станет равным нулю. Дости-

жение полного равенства измеряемой термоЭДС и компенсирующе-

го напряжения на измерительной диагонали моста Ет = E(Ɵ, Ɵ₁) = Ucd

достигается благодаря тому, что система автокомпенсации является

астатической из-за наличия в системе регулирования разбаланса

интегрирующего звена, в качестве которого выступает РД. В резуль-

тате каждому новому значению температуры горячего спая 0 соот-

ветствует новое положение движка реохорда.

ТермоЭДС, как уже отмечалось, зависит от разности температур

горячего и холодного спая и, следовательно, изменяется при измене-

нии любой из них. Движок реохорда, связанный с указателем шкалы,

должен перемещаться только при изменении измеряемой температу-

ры, т. е. температуры горячего спая. Это достигается посредством

автоматического введения поправки на температуры холодного спая

с помощью компенсационного резистора RM. Этот резистор выпол-

няется из медной проволоки и находится рядом с местом подключе-

ния свободных концов термопары (удлинительных проводов), т. е. их

температура одинакова и соответствует температуре окружающей

среды. Пусть, например, эта температура возросла, в результате чего

термоЭДС уменьшилась на ∆Етп. Одновременно с этим сопротивле-

ние резистора RM возрастет на ∆Ru и уравнение компенсации (3.24)

примет вид

т. е. изменение термоЭДС в этом случае компенсируется изменением

сопротивления компенсационного резистора:

В настоящее время широкое распространение получили преоб-

разователи термоЭДС в унифицированный электрический сигнал,

что позволяет подключать термопары сразу к контроллеру. Принцип

действия такого преобразователя рассмотрен в гл. 9.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «температура».

2. Перечислите основные виды температурных шкал.

3. Назовите основные конструктивные части манометрических термомет-

ров.

4. Какие типы термометров сопротивлений вы знаете?

5. Каков физический смысл температурного коэффициента сопротивле-

ния?

6. Дайте словесную формулировку условия равновесия моста.

7. Дайте определение понятия «термоэлектрический эффект».

8. Что такое холодный и горячий спай термопары?

9. Назовите основные термоэлектродные материалы и типы термопар.

10. Как изменится термоЭДС при включении в цепь термопары третьего

проводника?

Гл а в а 4

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ