Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

состоящей из трех параллельно соединяемых резисторов: собственно реохорда RP, шунта RШ и сопротивления RП. Такое исполнение реохордной группы связано с тем, что реохорд RP является ответственным узлом, предназначенным для измерения. Поэтому он изготавливается из проволоки специального сплава. При необходимости изменения сопротивления на участке аb, что бывает связано с изменением диапазона измерения, изменяют общее сопротивление RПР этого участка за счет изменения RП, а иногда и RШ, оставляя при этом RP стандартным. Резисторы RH и Rб служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I1 =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 ∆U в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающих в цепи термоэлектропреобразователя под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из сопротивления RФ и конденсатора СФ. Рассмотрим работу автоматического потенциометра. Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС EAB(tt0) и некотором положении движка реохорда С ток в контуре измерения // равен нулю, т. е. EAB(tt0) скомпенсировано падением напряжения Uce на участке cbde. Тогда сигнал небаланса ∆U = EAB (tt0 )−U ce равен нулю. При сигнале ∆U ≠ 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 ∆U не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель У. Сведение к нулю небаланса ∆U , т. е. достижение полного равенства компенсирующего напряжения Uce измеряемой термоЭДС EAB(tt0), реализуется благодаря тому, что система автокомпенсации является астатической. Свойство астатичности 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 термоэлектропреобразователя.

При некоторой температуре t рабочего спая и температуре свободных концов t0 =0 имеет место равенство (14.79)

(RM )t0′ , т.е. на ∆RM = (RM )t0′ − (RM )t0 .Вследствие этого падение напряжения на этом резисторе увеличится на ∆U ed = I 2 ∆RM , тогда получаем равенство (14.80)

Таким образом, при неизменной температуре рабочего спая t и любой

температуре свободных концов t0′ для того, чтобы движок С не перемещался и

не изменялось показание прибора, т. е. Для того, чтобы небаланс ∆U равнялся нулю, необходимо обеспечить условие (14.81) /8/

где α — температурный коэффициент электрического сопротивления меди;

I = 2 мА;

t0′— принимают равным 50 °С.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь конструктивным исполнением, имеют практически одну и ту же типовую измерительную схему, подобную приведенной на рисунке 14.141.

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 tmin и конечного tmax значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют EAB (tmax t0 ) и

EAB (tmin t0 ). Падение напряжения Uab на сопротивлениях реохордной группы

равно диапазону измерения прибора, т. е. Падение напряжения можно вычислить по формуле (14.83) /8/

По найденному значению RПР определяют RП. Значение RY подбирают из условия (14.84) /8/

Значение резистора Rб определяется из условия постоянства тока I1=3мА, и определяется по формуле (14.86) /8/

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 ферродинамических 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 на вышеприведенном рисунке.

14.5.4 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. Схема преобразователя приведена на рисунке 14.142 Здесь / — контур измерения; // — контур компенсации. Контур / содержит корректирующий мост К.М, усилитель У1 с токовым выходом IВЫХ и резистор RКН. К контуру / с помощью удлинительных проводов F и D подсоединен ТЭП AВ. Корректирующий мост предназначен для введения автоматической поправки на изменение температуры свободного конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не равен 0 °С. К диагонали аb питания моста подведено стабилизированное напряжение постоянного тока. Резисторы R1, R2 и R3 —манганиновые, резистор RM — из медного провода. Усилитель У1 состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя УП, работающего в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У1 выполняет функции нульиндикатора.

Контур компенсации II включает в себя резистор RKH и усилитель обратной связи У2. Этот усилитель аналогичен усилителю У1, но включен с глубокой отрицательной связью по выходному току усилителя. Выходной ток

напряжением Ucd, создаваемым в измерительной диагонали сd корректирующего моста КМ. Это напряжение, как указывалось, равно поправке

постоянного тока ∆U 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 У1 создает ток IВЫХ, который поступает во внешнюю цепь RВН и далее через делитель — в усилитель обратной связи У2. Выходной ток IOC усилителя У2 изменяется и изменяет падение напряжения UKH на резисторе RKH до тех пор, пока небаланс ∆U не достигнет некоторой малой величины δU , называемой статической ошибкой компенсации.

Рисунок 14.142 - Схема нормирующего токового преобразователя, работающего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем

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 IВЫХ и ток контура компенсации IOC определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. В то же время статическая ошибка автоксмпенсационной схемы может быть значительно уменьшена, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

Рассмотрим теперь математическую связь между измеряемой термоЭДС EAB (tt0 ) и выходным током преобразователя IВЫХ. В соответствии со сказанным

выше, связь показывается равенством (14.89) /8/

На выходах усилителей У1 и У2 формируются сигналы, для которых справедливы равенства (14.90), (14.91) /8/

сигналом ;

RBX — сопротивление входной цепи усилителя У1.

Падение напряжения (14.92) на резисторе RKH с учетом (14.91) составит

/8/

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.

14.6 Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением Rt термопреобразователя сопротивления и его температурой t (т. е. Rt = f(t) — градуировочная характеристика), то, измерив Rt, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен. Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от - 260 до + 1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость,

обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся:

большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала. Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения

R100/R0 и α (где R0 и R100— электрические сопротивления металла при 0 и 100 °С соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в

нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R100/R0 и α . При снятии механических напряжений в металле путем его отжига указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного металла. Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100 °С характеризуется коэффициентом α0,100 = (R100 = R0 )/ R0 100 . Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен 4-10-3—6.10-3 оC-1, что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,4—0,6 % от сопротивления при 0 °С. Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь. Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна и окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94-10-3 °С-1, и высокое удельное сопротивление 0,1 - 10-6 Ом-м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от - 260 до + 1100 °С, при этом для диапазона температур от - 260 до +750 °С используются платиновые проволоки диаметром 0,05 - 0,1 мм, а для измерения температур до 1100 °С, в силу распыления платины при этих температурах, диаметр проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения R100/R0 для применяемых платиновых проволок составляет 1,3850—1,3910. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от - 182,97 до 630,5 °С. Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t) и кроме того, платина — очень дорогой металл. Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых и чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от —50 до +200 °С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения R100/R0 составляет 1,4260 - 1,4280. В

широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид Rt = R0 (1 +αt), где α = 4,26 10−3 o C −1 . Никель и железо

благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя

ииспользуются для измерения температуры в диапазоне от - 50 до + 250 °С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы. Конструкция технических термометров с металлическим

.термопреобразователем сопротивления показана на рисунке 14.143.

Тонкая проволока или лента / из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной—40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с её содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду

иразмерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.

Динамическая характеристика термопреобразователей может быть

чехла и его материала, теплоемкости элементов, находящихся в чехле, а также от условий теплообмена. Так, при скачкообразном нагреве от 30 до 100 °С в баке с водой для термопреобразователя со стальным чехлом τ = 8 с и Т =120 с, а для латунного чехла τ = 3 с и Т=33 с .

Рисунок 14.143 - Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения температуры от —100 до 300 °С. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5 %, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен килоОм), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением RT = AT b exp(B / T ) . В узких интервалах температур (не более 25 °С)

используется более простое выражение RT=А eхр (В/Т) (где RT—сопротивление при температуре Т, К; A, Ь, В—постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника).