Средства измерений сигналов термоэлектрических термометров

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры, и нормирующие преобразователи.

Магнитоэлектрический милливольтметр. Схема его измерительного механизма показана на рис. 6.10. Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита NS и цилиндрическим сердечником 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 7 для отсчета показаний по шкале 6 прибора закреплены на кернах 5, опирающихся на подпятники 3. Установленные на кернах спиральные пружинки 4, создающие противодействующий повороту рамки момент, крепятся одним концом к оси 5, а другим — к неподвижной части прибора. Кроме того, эти пружинки являются токоподводящими элементами рамки. Рамка, закрепленная на кернах, изготавливается как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения.

Для обеспечения большей чувствительности милливольтметров, гальванометров и самопишущих милливольтметров их рамка крепится на вертикальных ленточных растяжках из фосфористой бронзы. Эти ленты при повороте рамки, скручиваясь, создают противодействующий момент, и одновременно по ним осуществляется подвод тока в рамку. Рамка представляет собой прямоугольник длиной I и шириной 2г и состоит из п витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой лаком. Благодаря сердечнику У, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании по рамке электрического тока / на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент

М_ыэ = 2г1В1. (6.27)

Противодействующий момент М_пр, создаваемый спиральной пружиной или подвеской, равен

M_np = W_b (6.28)

где W — удельный противодействующий момент.

Рис. 6.10. Схема измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра

где Rab, Rfd, Rc, Ry, Rp и R_n — сопротивления термоэлектродов АВ, удлинительных проводов FD, соединительных линий С, уравнитель-

При некотором угле поворота ф имеем: vW_np=Af_M3, т. е.

где S_I = 2rlB/W = <()/I — чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением R_M, из (6.29) имеем

где Su = Si/R_M = q)/U — чувствительность прибора к напряжению.

Из (6.30) следует, что чувствительность прибора к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме рис. 6.11. Генерируемая ТЭП термоЭДС Еав{Но) создает в замкнутой цепи ток

Из (6.32) можно заключить, что измеряемое милливольтметром напряжение и_аъ, подведенное к его зажимам аЪ, всегда меньше,

чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения JRbh во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.

В силу того что сведение к нулю IRbh при использовании милливольтметра невозможно, принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольт-Рис. 6.11. Схема измерения термоЭДС мил- метром. В то же время при ливольтметром соблюдении определенных

условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС. Подставляя (6.31) в (6.29), имеем

Из выражения (6.34) видно, что чем меньше отношение R_eJRm по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между 1/_аь ^и Еав(Н₀). Уменьшение отношения Rbh/Rm возможно за счет увели-

ной катушки, рамки милливольтметра и добавочной катушки соответственно; R_BH = (RAB-{-RFD-\~Rc+Ry)—внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи; R_M = (Rp-\-R_R) —внутреннее сопротивление милливольтметра. Представим (6.31) в виде

Отсюда следует, что если бы имело место R_Bh-\-Rm~const, то между показанием ф_ милливольтметра и измеряемой ЭДС была однозначная зависимость и шкалу милливольтметра можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного преобразователя АВ. В то же время как R_BS, так и R_M изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Покажем, что уменьшение указанной погрешности может быть достигнуто путем уменьшения отношения Rbh/Rm и уменьшения Rp/R_K-Преобразуем (6.31) к виду

чения R_K. Так как рамка милливольтметра выполнена из медного провода с сопротивлением R_p, то Я_м увеличивают за счет увеличения последовательно соединенного с рамкой добавочного сопротивления R_n, выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R_K приводит к уменьшению чувствительности Su милливольтметра. Обычно #_м = 100-^ 500 Ом, а отношение Rp/Ru^l/З, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R_BTl стандартизовано в пределах 0,6—25 Ом и указано на шкале прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо сопротивление внешней линии подогнать к значению ^_Вт указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R_y. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она наносится без учета сопротивления внешней линии и показания по шкале соответствуют напряжению на зажимах, т. е. Ы_аъ, по которому при известных R_Ba и R_K определяют из (6.34) термоЭДС для ТЭП любой градуировки, а затем значение измеряемой температуры по градуировочным таблицам.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с ТЭП, по конструктивному, исполнению бывают переносными и стационарными (щитовыми).

Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Переносные милливольтметры имеют две шкалы (градусную и милливольтовую) или только одну милливольтовую. Эти приборы выполняют как показывающие и имеют классы точности: 0,2; 0,5; 1,0.

Потенциометры. Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис. 6.12. Замкнутый кон- „ „,„ „

_т ^{v J} Рис. 6.12. Принципиальная схе-

тур / содержит дополнительный источ- _{ма поте}нциометра

ник тока напряжением Е_б и реохорд

(компенсационный резистор) R_ab. Этот контур называют компенса-сионным. Контур измерения // включает в себя ТЭП, термоЭДС Еав(Н₀) которого измеряется, и высокочувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также

часть Rac реохорда от точки а до подвижного контакта движка с. Функция нуль-индикатора состоит в обнаружении тока в цепи. Измеряемый источник Е_Ав(Ио) включен навстречу дополнительному источнику Е_б так, что токи от обоих источников на участке R_ac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре /, через /б (рабочий ток), а ток для контура // при некотором положении движка С через /_т, то на основании закона Кирхгофа для контура // справедливо равенство Е_Ав{Ио)=1^_Ва-¹с + URH» + I-rRac + luRac, где /?_нц и /?_Вн — сопротивления нуль-индика-тора и внешних проводов, включая ТЭП, откуда 1т=[Еав(М₀) — •—hRac\/(Rmi + Run + Rac) ■ Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы /_т стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда

Е_Ав^а) = 1^аг (6.35)

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке R_ac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета значений сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры. Компенсирующее напряжение hRac можно изменять двумя методами:

1) поддерживая значение тока h на постоянном уровне, изменять сопротивление R_ac;

2) сохраняя сопротивление R_ac постоянным, изменять значение рабочего тока /б.

Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока, показанный на рис. 6.13.

Для контроля за постоянством тока /б предусмотрен дополнительный контур /// — контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет собой образцовую меру ЭДС, равную Е_нэ = = 1,0186 В и сохраняющую это значение при кратковременных и малых нагрузках в течение длительного времени.

При установке ключа Кл в положение К (контроль) проводят сравнение ЭДС нормального элемента Е_иэ с падением напряжения Uda на постоянном резисторе R_K. Если при этом стрелка нуль-индикатора не на нуле, т. е. в контуре /// проходит ток, а это означает, что Е_нъф{]йа, то с помощью реостата Re изменяют ток /б в контуре / до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не уста-

Рис. 6.13. Схема потенцио-метоа с постоянной силой рабочего тока

новится на нуле. Тогда E_nb=U_da. Так как llda — hR*. и i?_K = = 509,3 Ом, то /_б = £нэ/Як= 1,0186/509,3=2 мА. После стандартизации значения тока h ключ Кл переводят в положение И (измерение) и перемещают движок С реохорда R_ab до установления стрелки нуль-индикатора на нуле. При этом

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам, т. е. Rac/Rab = llL, и тогда

где k= (E_H3IR_K)(Rabl'L) = const.

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины / участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения. Потенциометры, работающие по указанной схеме, имеют высокий класс точности, вплоть до 0,0005.

Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока h показана на рис. 6.14. Измеряемая термоЭДС E_AB(tt₀) компенсируется здесь падением напряжения hRab на постоянном и известном сопротивлении Rab путем изменения значения • тока /б в компенсационном контуре / с помощью реостата Re- Движок последнего перемещается до тех пор, пока нуль-индикатор НИ в контуре // не покажет нуль, при этом отсчитывается значение тока /б по шкале миллиамперметра. Ввиду того что измеряемая термоЭДС зависит от точности и стабильности показаний миллиамперметра, рассматриваемый потенциометр уступает по точности потенциометру с постоянной силой рабочего тока.

В то же время схема потенциометра с переменной силой рабочего тока находит применение, в частности, при построении нормирующих токовых преобразователей (см. рис. 6.16 и 6.24).

Автоматические потенциометры.Изме-рительная схема автоматического потен-циометра (рис. 6.15) основана на схеме

НИ

Рис 6.14. Схема потенцио- ^метр^а с переменной силой Р^{абочего тока}

потенциометра с постоянной силой рабочего тока (см. рис. 6.13). Однако здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения // и ///. Контур ///, содержащий в цепи резистор R_M 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_M 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 элемен-

Рис. 6.15. Измерительная схема автоматического потенциометра

та) 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 на-

грузки /о, равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками d и k f/_dA =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.

Подключение к клеммам К\ и Кч нормального элемента Е_иэ и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока /г лишь при поверке и градуировке потенциометра. При этом U ke = hRK = E^. Обычно Я_к= = 509,3 Ом, тогда /₂ = 2 мА; R_y— резистор для установки рабочего тока /₂; Rnp — значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединяемых резисторов: собственно реохорда R_p, шунта R_m и сопротивления R_n.

Такое исполнение реохордной группы связано с тем, что реохорд ^_р является ответственным узлом, предназначенным для измерения. Поэтому он изготавливается из проволоки специального сплава. При необходимости изменения сопротивления на участке ab, что бывает связано с изменением диапазона измерения, изменяют общее сопротивление R_nv этого участка за счет изменения R_n, а иногда и R_m, оставляя при этом R_p стандартным.

Резисторы R_u и #6 служат для установления начального значения шкалы прибора и значения, тока /i = 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 AU в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающих в цепи термоэлектропреобразователя под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из сопротивления R$ и конденсатора Сф.

Рассмотрим работу автоматического потенциометра. Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС E_AB(tt₀) и некотором положении движка реохорда С ток в контуре измерения // равен нулю, т. е. E_AB(tto) скомпенсировано падением напряжения U_ce на участке cbde. Тогда сигнал небаланса AU=E_AB(tt₀)—U_ce равен нулю. При сигнале AU¥=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 AU не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель У. Сведение к нулю небаланса AU, т. е. достижение полного равенства компенсирующего напряжения U_ce измеряемой термоЭДС Еав(Мо), реализуется благодаря тому, что система автокомпенсации является астатической. Свойство аста-тичности 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 термоэлектропре-образователя.

При некоторой температуре t рабочего спая и температуре свободных концов to=O имеет место равенство

Еав («о) = U с* = U _еЬ + U_bd - U_ed.

Пусть при той же температуре рабочего спая t температура свободных концов изменилась: £'о>^о- Тогда термоЭДС ТЭП уменьшится на EabO'oU) и станет равной Еав(М'_о)=Еав(Мо)— —E_AB(t'oto)- Повышение температуры от /₀ ДО t'o приведет к увеличению значения сопротивления резисторч от (/?_м)<₀ до (/?«)/ »

о т. е. на kR_M = (R_M) ' — (R_M)t_Q- Вследствие этого падение нап-

ряжения на этом резисторе увеличится на AU_ed⁼hAR_M, и тогда Е_АВ (tt'_Q)=Е_АВ («₀) - Е_АВ (ф = U_cb + U_bd -\Ц_Ы + Д£/^) =

Таким образом, при неизменной температуре рабочего спая t и любой температуре свободных концов t'_o для того, чтобы движок С не перемещался и не изменялось показание прибора, т. е. для того, чтобы небаланс Д£/ равнялся нулю, необходимо обеспечить условие

E_AB(('_ot_o) = MJ_e(1 = I^R_M. (6.37)

Значение сопротивления медного резистора (#_м)<о ^ПР^И А)⁼О°С определяют из (6.37), учитывая, что входящее сюда значение AR_M равно Д^_м = (^м)/₀ ^а (^о ~ ^о)- Следовательно,

где а — температурный коэффициент электрического сопротивления меди; /₂=2 мА; t'_o — принимают равным 50 °С.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь конструктивным исполнением, имеют практически одну и ту же типовую измерительную схему, подобную приведенной на рис. 6.15. 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 ^_тах значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц

определяют E_AB(t_maJo) и E_AB(tmint₀). Падение напряжения \]_аъ на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т. е.

Uab=IiR^ = E_AB{t_maA)-E_AB{t_{m n}t₀). (6.39)

Отсюда определяют значение R_nv, принимая /i—3 мА. Так как

по найденному значению R_nv определяют R_a. Значение R_a подбирают из условия

Е_АВ (t_mM^Ube = Л#а - h (R*K- (6.40)

Отсюда

^н = [Еав (t_mJo) + /j (RM/fv (6.41)

Значение резистора Re определяется из условия постоянства тока /i = 3 мА:

A(tf6+tfnp+tf_H)=£/_d*=/₂[/?_K + (/?_MU (6.42)

откуда

#6={ЛЛс ~ hR_a9 - [ЛЯ» - h ««)/J}//i

или

Я б = № - Wv-Eab (WoWA- (6-43)

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 ферродина-мических 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, приведенной на рис. 6.15.

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. Схемг преобразователя приведена на рис. 6.16. Здесь / — контур изме-j рения; // — контур компенсации. Контур / содержит корректируй ющий мост КМ, усилитель У] с токовым выходом /_ВЫх и резистор

Rkh- К контуру / с помощью удлинительных | проводов F и D подсоединен ТЭП АВ. Кор-₍ ректирующий мост предназначен для вве-| дения автоматической поправки на изменение температуры свободно-! го конца ТЭП (принцип" работы моста рассмотрен в § 6.5 и на рис. 6.7), а также компенсации начальной термо-ЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не | равен 0°С. К диагонали ab питания моста подведено стабилизированное напряжение постоянного тока. Резисторы R\, R₂ и Rz — манганиновые, резистор R_M — 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 // включает в себя резистор R_Kn и усилитель обратной связи У₂. Этот усилитель аналогичен усилителю У\, но включен с глубокой отрицательной связью по выходному току усилителя. Выходной ток /_ос усилителя У₂ является рабочим током контура // и при прохождении этого тока по сопротивлению R_KH на нем со стороны контура // создается компенсирующее напряжение и_кн = 1осккп- Со СТОРОНЫ КОНТура / К реЗИСТОру Rab ПОДВОДИТСЯ сигнал термоэлектропреобразователя E_AB(tt'_o), сложенный с напряжением U_c<i, создаваемым в измерительной диагонали cd корректирующего моста КМ. Это напряжение, как указывалось, равно поправке на температуру свободных концов ТЭП, т. е. U_Cd = E_AB(t'oto). Таким образом, этот суммарный сигнал, равный E_AB(tto)=E_AB(tt'o) + U_Cd, сравнивается с напряжением (У_Кн. Небаланс, равный AU = E_AB(tto)—U_KH, подается на усилитель У\,

Рис. 6.16. Схема нормирующего токового преобразователя, работающего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем

где этот сигнал постоянного тока AU 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 Я_ш и далее через делитель — в усилитель обратной связи Уъ Выходной ток /_ос усилителя У₂ изменяется и изменяет падение напряжения U_KH на резисторе Я_кя до тех пор, пока небаланс AU не достигнет некоторой малой величины 6U, называемой статической ошибкой компенсации.

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 /ос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. В то же время статическая ошибка автоксмпенсаци-онной схемы может быть значительно уменьшена, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

Рассмотрим теперь математическую связь между измеряемой термоЭДС Еав(Мо) и выходным током преобразователя /_ВЫх. В соответствии со сказанным выше,

AU = E_AB(tt₀)-U_KH, (6.44)

На выходах усилителей У\ и У₂ формируются сигналы

где k\ и k₂ — коэффициенты усиления усилителей У\ и У₂; /_Вх = = AU/R_BX — ток, создаваемый во входной цепи усилителя сигналом AU; R_BX — сопротивление входной цепи усилителя У_ь

Падение напряжения на резисторе R_KH с учетом (6.46) составит

^н = /оАн=¥,Лг (6.47)

Подставляя в выражение (6.44) AU из (6.45) и U_KU из (6.47), находим

h_m = kE_AB{tt_Q), (6.48)

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.