Тверской государственный технический университет

Кафедра АТП

Лабораторная работа 4

Изучение и поверка автоматического потенциометра

Тверь 2009

1. Цель работы.

Изучение принципа действия и устройства автоматического потенциометра и освоение методики его проверки.

2. Задание на работу.

1. Изучить принцип действия и конструкцию автоматического потенциометра.

2. Осуществить поверку автоматического потенциометра.

3. Определить абсолютную, приведенную погрешности и вариацию автоматического потенциометра.

4. Сделать заключение о пригодности прибора к эксплуатации.

3. Назначениеи принцип действия автоматического потенциометра.

Электронные автоматические потенциометры широко применяются в различных областях техники и науки в качестве приборов для измерения электродвижущей силы (ЭДС), в том числе и термоЭДС термоэлектрических первичных измерительных преобразователей (термопар). В последнем случае шкала потенциометра градуируется в единицах измерения температуры.

Принцип действия потенциометров основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника.

На рис.1показана принципиальная схема реализации компенсационного метода измерения, применительно к случаю измерения ТЭДС термопар. Источник постоянного и известного напряжения создает на сопротивлении , представляющем собой калиброванную по всей длине проволоку, разность потенциалов , определяемую его ЭДС.

Сопротивление называют реохордом. Разность потенциалов между точкойАи любой промежуточной точкойВпропорциональны сопротивлению отрезка реохордаАВ, т.к. сопротивление единицы длины проволоки одинаково по всей её длине (в точкеВнаходится скользящий контакт – движокДреохорда).

Последовательно с термопарой ТПвключен чувствительный магнитоэлектрический гальванометр, нулевая отметка у которого расположена в середине шкалы – нуль–гальванометрНГ, служащий для обнаружения наличия тока в цепи термопары. ИсточникИи термопараТПвключены встречно, т.е. ”плюс”источника подключен к“плюсу” термопары и т.д. (см. рис.1).

В процессе измерения осуществляется сравнение ТЭДС термопары с падением напряжения на отрезке реохорда. Если эти величины не равны, то через нуль–гальванометрНГпротекает ток. Уравновешивание (компенсация) осуществляется путём перемещения движка“Д”реохорда до тех пор, пока стрелка нуль-гальванометра не устанавливается на нулевую отметку. В этом положение ТЭДС термопары и падения напряжения на отрезке реохордаАВравны, т.е.

, (1)

При известном значении измерение ТЭДС термопары сводится к линейному измерению, т.е. определению посредством линейки шкалыЛположения движкаДна реохорде. В этом можно убедиться на следующих рассуждениях:

,(2)

, (3)

где – ток через реохорд;

и – сопротивление реохорда и его отрезкаАВ;

– сопротивление единицы длины реохорда;

и – длины реохорда и отрезкаАВ.

Из выражения (2) и (3) находим:

, (4)

Рассмотренный метод измерения используется в современных электронных автоматических потенциометрах.

На рис.2представлена упрощенная схема электронного автоматического потенциометра.

Измерительная схема потенциометра состоит из двух цепей: цепи термопары ТП и цели вспомогательного источника (компенсирующего) напряжения – ИПС.

В качестве компенсирующего напряжения используется высококачественный полупроводниковый источник питания, обладающий достаточной мощностью и большой стабильностью генерируемого напряжения.

Цепь компенсирующего напряжения образована источником ИПС и гасящим резистором ,служащим для формирования необходимого рабочего тока . Она содержит две ветви – вспомогательную, состоящую из резисторов и , и рабочую, к которой присоединены реохорды , постоянные резисторы и . По вспомогательной ветви протекает ток , а по рабочей – .

В цепь термопары входят: термопара ТП, сопротивление части реохорда, заключенное между точкамиаивизмерительной схемы, постоянные резисторы и .

Резисторы и применяются для подгонки начала и конца шкалы прибора. Диапазон измерения при постоянном сопротивлении реохорда устанавливается с помощью сопротивления, шунтирующего реохорд (на схеме не показано).

Резисторы измерительной схемы ,,, выполнены в виде катушек с бифилярной намоткой из манганина.

Реохорд представляет собой калиброванное манганиновое сопротивление. Резистор изготовлен из меди. Все резисторы измерительной схемы изготавливаются из манганина - материала, сопротивление которого изменяется незначительно при изменении температуры. Это обстоятельство практически исключает возможность изменения параметров измерительной схемы с измерением температуры окружающей среды.

ТЭДС термопары складывается с падением напряжения на резисторе. Соединение этих двух источников напряжения последовательно осуществляется через входную цепь (на рис.2показано пунктиром) электронного усилителяЭУ. Суммарный сигнал сравнивается с падением напряжения на участкеас – . В случае, если два сравниваемых напряжения неодинаковы (этот момент имеет место при изменении ТЭДС термопары), по входной цепи усилителя будет протекать ток, т.е. на входе усилителя возникает разность потенциалов – разбаланс. Усилитель выполняет функции электронного нуль-индикатора и предназначен для преобразования напряжения небаланса постоянного тока в переменный и последующего усиления его по напряжению и мощности. Преобразованный и усиленный до необходимого значения сигнал разбаланса с выхода усилителя подается на управляющую обмотку реверсивного двигателяРД. Последний представляет собой асинхронный электродвигатель конденсаторного типа и имеет две обмотки – управляющуюОУи сетевуюОС. Сетевая обмотка питается напряжением переменного тока 127 или 220 В с неизменной частотой и фазой. Управляющая обмотка связана с выходом электронного усилителя. При наличии сигнала на управляющей обмотке в статоре двигателя образуется вращающее магнитное поле, которое приводит к вращению его ротора. При этом направление вращения ротора зависит от соотношения фаз напряжения на обмотках двигателя.

Очевидно, что изменение направления вращения ротора двигателя должно быть связано с изменением полярности сигнала разбаланса, поступающего на вход электронного усилителя. С этой целью в усилителе предусмотрен фазочувствительный каскад, изменяющий фазу выходного сигнала с изменением полярности сигнала разбаланса.

Двигатель имеет встроенный редуктор, вал которого механически связан с движком Дреохорда . Таким образом, при наличии разбаланса на входе усилителя он приводит во вращение реверсивный двигатель и перемещает движокДреохорда с тем, чтобы устранить разбаланс и автоматически привести схему в равновесное состояние, соответствующее новому значению измеряемой ТЭДС.

С ротором реверсивного двигателя РДмеханически соединены стрелкаС, перемещающаяся по шкалеШк, и пероПили печатающее устройство (в многоточечных потенциометрах), с помощью которых информация о текущем значении температуры регистрируется на диаграммной лентеЛ. Последняя приводится в движение синхронным двигателемСД.

В положении равновесия достигается равенство потенциалов:

(5)

В автоматических потенциометрах ввод поправки на температуру холодного спая термопары производится также автоматически с помощью резистора . Этот резистор, изготовленный из меди, имеет высокий температурный коэффициент сопротивления. Он выполняется в виде катушки и располагается в приборе в месте подсоединения проводов, соединяющих термопару с потенциометром. Поэтому температура и холодного спая (свободных концов) термопары всегда одинакова.

Температурная компенсация осуществляется следующим образом. Увеличение температуры свободных концов термопары приводит к уменьшению создаваемой её ТЭДС –, с другой стороны, при повышении температуры увеличивается его сопротивление, а следовательно, и падение напряжение на нем. Так как падение напряжения складывается с ТЭДС термопары, это позволяет при определенном выборе параметров резисторов и автоматически вводить поправку на изменение температуры холодного спая термопары. В сказанном можно убедиться из следующих рассуждений. Падение напряжения на определяется выражением:

(6)

где и - сопротивление резистора при температуре и ; - температурный коэффициент сопротивления меди

Выражение (5) описывающее работу потенциометра в положении равновесия с учетом (6) и тока через участокacможно преобразовать к виду

, (7)

где - падение напряжения на реохорде

Величина сопротивления резистора при ,те выбирается такчто изменение падения напряжения на немпри изменении температуры холодного спая от до равняется величине поправкипри всех температурах в диапазоне от до .

Величину сопротивления выбирают такойчтобы выполнялось условие

(8)

тепадение напряжения на компенсирует падение напряжения на резисторе при температуре .

С учетом этих условий (7) преобразуется

(9)

Таким образом,падение напряжения на реохорде однозначно определяет ТЭДСтермопарыопределяемую с учетом поправки на изменение температуры холодного спаяЭто позволяет градуировать шкалу потенциометра прямо в значениях измеряемой температуры

В потенциометрах у которых нижний предел измерения больше нулясопротивление резистора делается большимчем это необходимо из условия (8)Тем самым при соответствующем расчете учитывается отличие нижнего предела измерения от нуля

Промышленностью выпускаются различные модификации электронных автоматических потенциометров - от малогабаритных одноточечных показывающихдо крупногабаритных многоточечных показывающих и самопишущих приборов Класс точности современных потенциометров 025051