4.3. Средства измерения термоЭдс
Для измерения термоЭДС в промышленности широко применяются пирометрические милливольтметры, которые являются электроизмерительными приборами магнитоэлектрической системы.
В конструкции милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы (см. рис. 20). Первая состоит из подковообразного магнита (на рисунке не показан), полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля. В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 1, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается пружиной 4.
Взаимодействие тока, протекающего по рамке, с полем постоянного магнита вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока. При постоянном внутреннем сопротивлении милливольтметра между напряжением на его зажимах и током, протекающим через рамку, существует однозначное соответствие, что позволяет проградуировать его в единицах напряжения. Если милливольтметры предназначены для измерения термоЭДС, то они обычно градуируются в °С и называются пирометрическими.
Рис. 20. Конструкция пирометрического милливольтметра |
Для установления однозначного соответствия между показаниями температуры в °С, термоЭДС термопары и протекающим через милливольтметр током на шкале прибора указывается тип термопары и значение внешнего сопротивления на зажимах термопары ( сопротивление измерительной линии).
Поскольку термоЭДС термопары зависит от разности температур рабочего спая и свободных концов, то для корректного измерения температуры объекта необходимо вводить поправку на температуру свободных концов термопары. Если температура свободных концов постоянна, то эта поправка может быть введена смещением стрелки милливольтметра корректором на величину температуры свободных спаев. Если температура свободных концов термопары не остаётся постоянной, термопара подключается к милливольтметру через компенсационное устройство, предназначенное для автоматической компенсации влияния изменения температуры свободных концов термопары. Принципиальная схема устройства показана на рис. 21.
Рис. 21 Подключение термопары через компенсационное устройство |
Конструктивно устройство является четырехплечим неуравновешенным мостом, который состоит из трёх резисторов постоянного сопротивления
R1, R2, R3. Резистор Rt изготовлен из медной проволоки и его сопротивление возрастает с увеличением температуры. Этот резистор устанавливается так, чтобы его температура равнялась температуре свободных концов термопары. Сопротивления резисторов выбираются из условия равновесия моста при температуре 0 °С. При равновесии моста разность потенциалов между точками с и d будет равна нулю. В случае увеличения температуры сопротивление терморезистора Rt возрастёт и между точками c и d появится положительное напряжение разбаланса. Поскольку компенсирующее устройство включено в разрыв одного из термоэлектродов, то напряжение разбаланса моста будет суммироваться с величиной термоЭДС термопары. Сопротивление резистора R4 подбирается таким, чтобы напряжение разбаланса точно соответствовало требуемой величине поправки на температуру свободных концов термопары. Очевидно, что величина сопротивления R4 зависит типа применяемой термопары. Чем выше коэффициент преобразования (чувствительность) термопары, тем больше должно быть напряжение между точками с и d при одинаковой температуре. Напряжение разбаланса моста при прочих равных условиях зависит от тока IM в цепи моста. Величина тока устанавливается резистором R4.
Если термопара применяется в комплекте с микропроцессорным измерительным прибором, то обычно температура свободных спаев (входных клемм прибора) измеряется с помощью отдельного датчика температуры и этот сигнал используется для вычисления поправки на температуру свободных концов термопары.
Некоторые конструкции приборов предусматривают размещение датчика температуры в специальных соединительных коробках. Соединительные коробки представляют собой полые металлические цилиндры – тепловые экраны, внутрь которых вводятся концы электродов термопар. Экраны позволяют обеспечить равенство температур свободных концов термопары и датчика. При такой схеме подключения термопар удлиняющие провода не используются.
Автоматические потенциометры типа КСП широко используются в теплоэнергетических установках для измерения температуры. Они предназначены для автоматического измерения термоЭДС компенсационным методом.
Рис. 22. Схема автоматического потенциометра |
Принципиальная схема автоматического потенциометра показана на рис. 22, где обозначено: Rp − сопротивление реохорда, Rш − шунта, Rн и Rк − для задания начала и конца шкалы, Rп − для задания пределов измерения, Rб − балластное, Rс − для поверки рабочего тока, Rм − медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев,
ИПС − источник питания стабилизированный.
Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с термоЭДС Е и реверсивный электродвигатель РД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.
Мост может находиться в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.
Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:
ΔU = UAD – Е = 0.
В данном состоянии РД не работает.
Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на РД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на РД снова не станет равно нулю.
В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью.