Автоматический потенциометр

Автоматический потенциометр предназначен для измерения, записи и регулирования температуры. Работает он в комплекте с термопарами стандартных градуировок, применяется для измерения температур от –200 до + 2000 ^оС. В качестве конструкционных материалов для электродов термопары используются: железо-копель, копель-алюмель, хромель-алюмель, платина-платинородий и др. Зависимость термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) от изменения температуры носит линейный характер.

В электронных потенциометрах применяется потенциометрический (компенсационный) метод измерения, который основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником питания.

Из принципиальной схемы (рис. 3.5) видно, что термопара подключена так, что ее ток на участке R_АД идет в том же направлении, что и от источника питания Б, а разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой Д пропорциональна сопротивлению R_АД.

Рис. 3.5. Принципиальная схема компенсационного метода измерения:

1 – термопары; 2 – нуль-индикатор; 3 – реохорд; 4 – источник питания

Передвигая подвижный контакт Д, при условии, что Е_ТП < Е_Б, можно найти такое его положение, при котором ток в цепи термопары будет равен 0, т.е. ТЭДС термопары может быть измерена значением падения напряжения на участке сопротивления R_АД. Схема такого вида широко используется для измерения температуры в переносных приборах.

Недостаток рассмотренной схемы состоит в том, что ТЭДС зависит от постоянства тока в цепи реохорда.

Варьирование рабочего тока в цепи реохорда может вносить погрешности в результаты измерения. Установка необходимой величины рабочего тока и контроль его постоянства производят также компенсационным методом (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема контроля и установки рабочего тока

Схема имеет три цепи:

цепь источника тока (источник тока Б, установочное сопротивление, постоянное сопротивление, реохорд с подвижным контактом Д);

цепь нормального элемента (нормальный элемент НЭ, постоянное сопротивление, измерительный прибор ИП);

цепь термопары (термопара ТП, измерительный прибор ИП, часть переменного сопротивления реохорда).

В режиме контроля переключатель устанавливают в положение К, подключая нормальный элемент к концам сопротивления R_Н.Э (ЭДС источника питания Б направлена навстречу ЭДС нормального элемента). При снижении величины рабочего тока его регулируют установочным сопротивлением и добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления R_Н.Э не станет равна ЭДС нормального элемента. Ток в цепи измерительного прибора станет равным нулю. Если R_уст не удается установить рабочий ток, то батарею заменяют. В режиме измерения переключатель устанавливают в положение И, подключая тем самым термопару последовательно с нормальным элементом, реохордом в точке А и подвижным контактом Д. ТЭДС термопары в этом случае будет направлена в противоположную сторону ЭДС источника Б. Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точкой А и контактом Д реохорда равна ТЭДС термопары.

В приборах серии ГСП питание измерительной схемы осуществляется стабилизированным источником, что упрощает конструкцию и эксплуатацию.

Рассмотренные выше схемы используются в электронных автоматических стационарных потенциометрах (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Принципиальная схема автоматического потенциометра

В отличие от лабораторных переносных приборов движок реохорда автоматических электронных потенциометров перемещается не вручную, а автоматически с помощью специального устройства. При этом нулевой прибор, показывающий небалансный ток измерительной цепи потенциометра, заменен электронным нуль-индикатором, состоящим из электронного усилителя и реверсивного двигателя. При изменении ТЭДС термопары в цепи появляется постоянное напряжение небаланса, которое преобразуется и усиливается до величины, достаточной для вращения ротора реверсивного двигателя.

Двигатель посредством кинематического механизма перемещает движок реохорда в зависимости от знака напряжения небаланса в ту или другую сторону, автоматически уравновешивая измерительную схему. Одновременно с движком реохорда перемещаются показывающая стрелка и записывающее перо. В потенциометре используется мостовая измерительная схема, обеспечивающая высокую точность и чувствительность прибора и позволяющая автоматически вводить поправку на изменение температуры холодных спаев термопары, а также легко изменять пределы измерения и градуировку шкалы прибора.

Все сопротивления измерительной схемы потенциометра, кроме R_м (см. рис. 3.7), выполнены из манганина. Сопротивление R_м и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре и располагаться рядом с клеммами для включения термопары.

Измеряемая ЭДС термопары компенсируется падением напряжения на сопротивлении R_p, которое зависит от положения движка реохорда. Если ЭДС термопары не равна падению напряжения на указанных сопротивлениях, то разность напряжений, появляющаяся на вершинах измерительного моста b и d, подается на преобразовательный каскад, состоящий из вибрационного преобразователя и входного трансформатора.

В преобразовательном каскаде постоянный ток напряжением около нескольких милливольт преобразуется в переменный. Далее переменный ток усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя.

Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке или против нее (в зависимости от знака разбаланса), передвигает движок реохорда и тем самым устанавливается равновесие измерительной схемы. При этом компенсирующее напряжение измерительной схемы при изменении температуры изменяется на такую же величину, как и ЭДС термопары, но с обратным знаком. При равновесии измерительной схемы реверсивный двигатель вращаться не будет, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается.

Для устранения помех, возникающих в цепи термопары, на вход потенциометра подключен фильтр, состоящий из сопротивлений и конденсаторов.

Конструктивно потенциометр представляет собой стационарный прибор, все узлы которого размещены внутри стального корпуса.

Автоматические потенциометры, выпускаемые промышленностью, имеют одинаковую принципиальную измерительную схему, но разнообразное конструктивное исполнение. Они отличаются по габаритам, типу диаграммы, градуировке, пределам измерения, видам дополнительных устройств и т.д. В настоящее время преимущественно выпускаются входящие в систему ГСП автоматические потенциометры серии КС: КСП1, КСП2, КСП3, КСП4, а также КПП1, КВП1, ПСМ2.