3.6 Требования к отчёту

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Принципиальные схемы потенциометра и милливольтметра.

3. Методику проверки работоспособности автоматического потенциометра и милливольтметра.

4. Протоколы испытаний приборов.

5. Выводы по работе.

3.7 Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип действия автоматического потенциометра и милливольтметра?

2. В чем заключается принцип измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар)?

3. Что понимается под градуировочными характеристиками термопар?

4. Какова методика пересчета градуировочных характеристик термопар при изменении температуры ее свободных концов?

5) Каковы источники ошибок при измерении температуры с помощью термопар?

4 Лабораторная работа №2. Изучение и проверка работоспособности электронного моста и логометра

Цель работы: изучение устройства и принцип действия электронного моста и логометра; приобретение навыков по проверке работоспособности логометра и электронного моста.

4.1 Теоретические сведения

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением термопреобразователя сопротивления и его температурой [т. е. R_t=f(t) – градуировочная характеристика], то, измеривR_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от минус 260 до плюс 1100 ⁰С. 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: линейность функцииR_t=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления, большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Применяют медные и платиновые термометры сопротивления. Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от минус 50 до плюс 200 ⁰С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления и высокое удельное сопротивление. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от минус 260 до плюс 1100⁰С. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Недостатком платины является нелинейность функцииR_t=f(t) и, кроме того, платина – очень дорогой металл.

Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста (рисунок 4.1а) состоит из постоянных резисторовR₁иR₂, компенсирующего переменного резистора (реохорда)R_P, термопреобразователя сопротивленияR_tи сопротивления соединительных проводовR_пр. В одну диагональ включен источник постоянного тока Е, в другую – нуль-прибор НП. ИзмерениеR_tпроизводится путем перемещения движка реохордаR_Pдо тех пор, пока стрелка нуль-прибора не установится на нулевой отметке. В этот момент ток в измерительной диагоналиcdотсутствует.

а

б

Рисунок 4.1 – Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста: а) двухпроводное включение термопреобразователя сопротивления в цепь моста,б) трёхпроводное включение термопреобразователя сопротивления в цепь моста

При равновесии моста имеет место равенство

R₂(2R_пр+R_t) =R₁R_P. (4.1)

Если считать, что температура окружающей среды постоянна, то 2R_пр=const. Тогда каждому значениюR_tсоответствует определенное значение сопротивления реохордаR_P, шкала которого проградуирована либо в омах, либо в градусах Цельсия.

В случаях, когда колебания температуры окружающей среды велики и погрешность за счет изменения R_ПРбудет достигать значительных величин, вместо двухпроводной схемы применяется трехпроводная схема включения термопреобразователя сопротивления (рисунок 4.1б). При таком соединении сопротивление одного провода прибавляется к сопротивлениюR_t, а сопротивление второго провода – к переменному сопротивлениюR_P. Уравнение равновесия моста принимает вид

R₂(R_t+R_np) =R₁(R_p+R_np). (4.2)

Из уравнения (4.2) следует, что в трехпроводной схеме сопротивление соединительных проводов не влияет на результаты измерения.

Логометр – прибор магнитоэлектрической системы, используется для измерения температуры в комплекте с термпреобразователями сопротивления. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. Температурная шкала логометра действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления внешних соединительных проводов.

Измерительный механизм логометра состоит из 2 рамок, расположенных под некоторым углом одна к другой и жестко скрепленных между собой. Рамки помещены в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. Воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником сделан неравномерным и поэтому магнитная индукция в зазоре непостоянна.

Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магнитом показана на рисунке 4.2. В межполюсном пространстве постоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены 2 рамки и, изготовленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в пределах рабочего угла в воздушном зазоре. Выточки полюсных наконечников выполнены по окружности, но радиус этих выточек смещен по отношению к центру сердечника так, что воздушный зазор убывает от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция возрастает приблизительно по квадратичному закону от центра к краям наконечников.

Рисунок 4.2 – Принципиальная электрическая схема логометра с внешним постоянным магнитом

Рамки логометров включены таким образом, что их вращающие моменты инаправлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам осуществляется либо с помощью «безмоментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством маломоментных спиральных волосков, изготовленных из бронзовых сплавов. На приведенной схемеR₁иR₂ – добавочные манганиновые резисторы,R_t– сопротивление термометра сопротивления.

Как видно из рисунка 4.2, ток источника питания в точке а разветвляется и проходит по двум ветвям: через резисторR₁, рамкуи через термометрR_t, резисторR₂и рамку.

В точке bветви сходятся, и дальше ток идет до одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкамитоковисоздаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты соответственнои, направленные навстречу друг другу. ЕслиR₁+R_p=R₂+R₂+R_t, то=и при симметричном расположении рамок относительно полюсных наконечников вращающие моменты будут равны (рамки занимают положение, показанное на рисунке 4.2).

Если сопротивление термометра сопротивления R_tвследствие нагрева возрастает. По закону Ома токвозрастает, а токуменьшается. Поэтому вращающий моментрамкибудет больше моментарамки. Подвижная система начнет поворачиваться по часовой стрелке, т.е. в направлении момента. При этом рамкас большим вращающим моментом попадет в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшится, момент же рамки,наоборот, будет увеличиваться . При определенном угле поворота моменты сравняются и рамки остановятся. Это произойдет при условии

=(4.3)

или

, (4.4)

где и – магнитная индукция в зонах расположения рамок;

nи– число витков рамок;

и– площадь активной части рамок.

Полагая в уравнении (4.2) , что

, (4.5)

получим

, (4.6)

откуда

. (4.7)

Учитывая, что значение отношения является функцией угла поворота подвижной части, уравнение (4.7) может быть представлено в виде

(4.8)

или

.(4.9)

Подставляя в уравнение (4.7) значения

,(4.10)

, (4.11)

получим

. (4.12)

Так как ,,иявляются постоянными величинами, то

, (4.13)

т.е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра являются функцией измеряемого сопротивления термометра.

Основным недостатком рассмотренной дифференциальной логометрической схемы является то, что для уменьшения температурной погрешности прибора приходится включать последовательно с рамками манганиновые резисторы с большими сопротивлениями R₁иR₂. Вследствие этого логометры с такой измерительной цепью обладают меньшей чувствительностью по сопротивлению по сравнению с приборами с мостовыми логометрическими схемами.