Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Итак, изменяя плечи реохорда r1 - r2 (две части одного переменного резистора), можно уравновесить мост. Как же это происходит?

Прежде всего, обратим внимание, что схема питается переменным током от источника, показанного значком “~“ в нижней части схемы. Это может быть, например, сетевое питание. Но, как мы знаем, для питания мостовой схемы нужно использовать пониженное напряжение, поэтому в цепь питаниявключен понижающий трансформатор Т. Пониженное напряжение подаётся на мостовую схему.

Предположим,чтосхемавышла изположенияравновесия,например,

врезультате изменения температуры. Тогда в измерительной диагонали схемы будетсигнал разбаланса -переменноенапряжение. Оноусиливается усилителем и подается на реверсивный двигатель (РД), являющийся исполнительнымэлементом схемы.Реверсивный двигательсостоит изротора и статора (ротор -вращающаясячасть двигателя, статор-неподвиж- ная часть). Ротор представляет собой железный сердечник, а статор сос-

тоит из двух обмоток (катушек) L1 и L2. Ротор вращается только в том случае, когда на обеобмотки поданопеременноенапряжение, причём напряжения на обмотках должны быть сдвинуты по фазена 900. Первоначальныйсдвиг фазы ужеесть -егообеспечивает конденсаторС вцепипитания

обмоткиL2. Значит, когда на обмоткуL1 поступит сигналразбаланса, двигатель будет вращаться. Он будет передвигать каретку самописца, перо которой вычерчивает линию на бумаге. Вместе с ней будет двигаться и

реохорд r1 - r2, уравновешивая мостовую схему. Когда равновесие моста будет достигнуто, сигнал разбаланса станет равным нулю, двигатель перестанет вращаться, реохорд прекратит свое движение, а перо каретки самописца остановитсяна отметке, соответствующей температурев данный момент. При изменении температуры изменится сопротивление тер-

морезистора R(t), снова возникнет сигнал разбаланса, чтоприведёт к движению реверсивногодвигателя и уравновешиваниюмоста в новом положении реохорда и каретки самописца.

Таким образом, автоматически уравновешивающийсятермометр сопротивления представляет собой пример следящей схемы с отрицательной обратной связью.

Рассмотримтеперь вопрос:почемуреверсивныйдвигатель вращается

вразные стороны в зависимости от того, в какую сторону изменяется температура?Ведьочевидно,чтоеслитемператураувеличивается,тодвигатель должен вращаться в одну сторону, а если уменьшается - то в другую. Соответственноизменяетсяи направлениедвижениякаретки самописца.

41

Вообщеговоря,направлениедвиженияреверсивногодвигателяопределяется знаком разности фаз напряжений на обмотках L1 и L2.

На рис. 1.15 представлены графики возможных напряжений на обмотках (кривые 1 и 2, сдвинутые по фазе на 900). (Будем называть такие графики эпюрами). Очевидно, что напряжение на обмотке L2 (рис. 1.15, кривая 2) не может зависеть от изменения температуры, так как поступает прямо с источника питания. Следовательно, для того чтобы обеспечить изменение направления вращения реверсивного двигателя, напряжениена обмоткеL1 должно изменяться по фазена 1800 (кривая 1') в зависимости от того, увеличивается температура или уменьшается.

1 2 1′

U

Рис. 1.15. Эпюрынапряжениянаобмотках реверсивногодвигателя

Докажем это. Итак, предположим, что мост вышел из равновесия в результате увеличения температуры. Предположим также, что в данный момент времени напряжениена левой вершине моста положительно. Тогда для тока из левой вершины возможны два пути -через сопротивлениеR(t) или через часть реохорда r1. Сопротивление R(t) возросло в результатеувеличения температуры, следовательно, большийтокпойдёт черезr1 и внижней части измерительной диагонали будет положительное напряжение.

В обратном случае - если температура уменьшилась - сопротивление R(t) тожеуменьшится, больший ток идет через R(t) и в нижней части измерительной диагонали будет отрицательное напряжение. Следовательно, визмерительнойдиагоналидолженменятьсязнаквзависимостиотнаправления изменения температуры, а в случае переменного напряжения - его фаза - кривые 1 и 1' на рис.1.15.

1.6. Неуравновешенный термометр сопротивления

Какмы ужезнаем, мостоваясхема может быть и неуравновешенной. В этом случае ток в измерительной диагонали не равен нулю и зависит

42

от измеряемогосопротивления. Если в качествеизмеряемогосопротивления применить терморезистор, то ток будет зависеть от температуры. Принципиальная схема неуравновешенного термометра сопротивления показана на рис.1.16. Онапочтинеотличаетсяотсхемыуравновешенного термометра сопротивления (рис. 1.11).

R5

K

Рис. 1.16. Принципиальная схема неуравновешенноготермометра сопротивления

Напишем выражение для тока в измерительной диагонали моста:

U - напряжение, подаваемое в диагональ питания моста; Rg - внутреннее сопротивление измерительного прибора.

С учётом зависимости сопротивления терморезистора Rt от температуры эта формула (1.27) приобретает вид:

Теперь введём понятие чувствительности неуравновешенного термометра сопротивления. Выходным параметром в данном случае

43

является сила тока i, следовательно, согласно общему определению чувствительности прибора:

Последнееприближенное равенство можно написать с учетом R0 R. Итак, для увеличения чувствительности термометра следует брать терморезистор, изготовленный из материала с большим коэффициентом . Анализируя формулу (1.29), можноподумать, чтодля увеличения чувствительности следует увеличивать напряжениепитания U, номы ужезнаем,чтоэтогоделатьнельзя!Приувеличениинапряженияпитаниявозрастает нагрев терморезистора электрическим током и термометр будет измерять температуру с большой погрешностью.

Эта дилемма - “чувствительность или погрешность?” - очень часто встает при конструировании измерительных приборов. Она решается всегда одинаково-предпочитают создать прибор смалой погрешностью, пусть даже ценой уменьшения чувствительности. Действительно, кому нужносверхточноеизмерение, если известно, чтооно сделаносбольшой погрешностью?

Перечислим теперь специфические погрешности неуравновешенного термометра сопротивления. Две из них мы уже знаем: это нагре-

ваниедатчика электрическим током и изменение сопротивления идущих кдатчикупроводов. Пути уменьшенияэтих погрешностей мы такжеизучили в разделе 1.4.

Третья погрешность – изменение температуры измерительного прибораи, какследствие, изменениееговнутреннегосопротивления. Для уменьшения этой погрешности можно рекомендовать те же способы, которые были перечислены выше для ликвидации нагрева датчика.

Четвертая погрешность - возможное изменение ЭДС источника питания. Действительно, формула (1.28) показывает, что значение тока прямо зависит от подаваемого на мост напряжения. Вот это последнее обстоятельство и открывает путь ликвидации погрешности - ведь под буквой U в формуле имеется в виду не ЭДС источника питания, а только напряжение, подаваемоевдиагональпитаниямоста!Егоможнорегулировать, для этого в схему (рис. 1.16) включен потенциометр R5. Перемещая ползунокпотенциометра вправо,можноувеличиватьнапряжениепитания моста в случае, если ЭДС источника питания почему-либоуменьшилась.

Разумеется, напряжениепитаниямоста необходимоконтролировать.

44

Для этого в схему включен вольтметр V.

Однако два измерительных прибора (гальванометр и вольтметр)в такой простой схеме - это непозволительная роскошь, стоимость прибора сильно возрастет. Чаще делают по-другому.

С помощью ключа (на рис. 1.16 эта часть не показана) вместо сопротивленияRt включают другое,постоянноесопротивление(контрольное сопротивлениеRk).Тогдаприбор,включённыйвизмерительнуюдиагональ моста, покажетток, значениекотороголегкоопределить поформуле(1.27) путём подстановки Rk вместо Rt:

Видно, что в формулу (1.30) входят лишь постоянные величины, следовательно, значение тока i определяется напряжением U. Если известно значение напряжения, при котором производилась градуировка термометра, то известно и значение контрольного тока!

Чащевсегоэтозначениеотмечают на шкалеизмерительногоприбора специальнойриской.Еслипривключенииконтрольногосопротивленияизмерительныйприборпоказываетотмеченноезначениетока,тонапряжение U соответствует норме, а если нет - его регулируют потенциометром R5, добиваясь того, чтобы стрелка стала на отмеченную риску. Так осуществляется контроль напряжения питания в дистанционной метеорологической станции М-49.

1.7. Дифференциальный термометр сопротивления

Иногдав метеорологиинеобходимоизмерить несамозначениетемпературы, а разность двух её значений, например, разность между сухим и смоченным термометрами. Для этого также можно применить мостовую схему – рис. 1.17.

В двух смежных плечах мостовой схемы включены абсолютно одинаковыетерморезисторыR(t1)и R(t2).Сопротивлениядвухдругих плеч также выбираются равными: R3 = R4.

Разумеется, при равенстветемператур R(t1)= R(t2), и мостовая схема находится в равновесии, ток в измерительном приборе равен нулю. Но если t1 t2, то в измерительной диагонали появляется ток, значение которого легко вывести из формулы (1.28), приняв в числителе значение

R = R0 (1+ t2):

45

пературе этой границы. Рассмотрим коротко физическую основу термоэлектрических явлений.

Представим себе, что два металлических проводника соединены вместе (рис. 1.18).

+ + - - + + - - + + - -

Рис. 1.18. Образование граничнойразностипотенциалов при соединениидвух проводников с разной плотностью электронов

Пусть плотность свободных электронов ()в этих проводниках различна,например,плотность электронов впроводникеАбольшеэлектронной плотности в проводникеБ. Тогда на границесвободныеэлектроны из проводника А будут переходить в проводник Б. Разумеется, возникнет и обратный поток электронов - из Б в А, но в силу меньшей электронной плотности он будет слабее. Следовательно, в приграничной области в проводнике А возникнет зона, где плотность электронов будет меньше среднейэлектроннойплотности,характернойдляэтогопроводника. Иначе говоря, эта зона будет иметь положительный заряд. По другую сторону границы - в проводнике Б - возникнет зона с отрицательным зарядом. Возникнет пограничная разность потенциалов UАБ. Эта разность потенциалов тем больше, чем большепоток электронов из одного металла в другой. Величина потока электронов связана с их подвижностью, а подвижность электронов тем больше, чем большетемпература спая. Таким образом, пограничная разность потенциалов оказалась связанной с температурой спая.

Возникает вопрос: нельзя ли измерить величинуUАБ и на основании этогоизмерить температуруспая?К сожалению, стандартными приборамиэтогосделатьнельзя.Дляизмерениянапряженияпришлось бысоздать замкнутую цепь, длячегок концам проводников Аи Бприсоединить другиепроводники,награницескоторымитакженаблюдаласьбыпограничная разность потенциалов. Измерительный прибор измерял бы алгебраическую сумму всех пограничных напряжений, которая, как это ни печально, равна нулю, если температура всех спаев одинакова. Это легко понять: в

47

противном случае, взяв несколько проводников и соединив их друг с другом, мы получили бы ток без затраты энергии, что, как известно, невозможно.

Ноесли измерениетемпературы спомощьюэтогоявленияневозможно, то возможно измерение разности температур между двумя спаями, соединенными так, как показано на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Образование термоэлектрическойразницы потенциалов в термопаре

Вэтом случае проводник Б оказывается посередине между двумя проводниками А. Разность потенциалов, возникающая на границе АБ и БА, должна суммироватьсяспротивоположнымизнаками,т.е. на концахтакой цепи возникает напряжение, равноеразности пограничных напряжений. Если температура спаев АБ и БА одинакова, то, разумеется, эта разность равна нулю, но при разной температуре спаев мы получаем отличную от нулявеличину. Вот еёужеможноизмерить!Ведь при создании замкнутой внешней цепи суммарная разность потенциалов в ней равна нулю плюс разность пограничных потенциалов АБ и БА. Естественно, что эта разность потенциалов (назовем ее термоэлектрической) связана с разностьютемператур двух спаев. Соответственно, взамкнутойцепи возникнет электрический ток. Это явление уже не противоречит закону сохранения энергии, так как источником энергии является разность температур двух спаев (подобно тому, как источником энергии в тепловых машинах является разность температур нагревателя и холодильника).

Мы пришли к очень важному выводу. Сформулируем его в виде закона, получившего название закон Зеебека.

Взамкнутой цепи, содержащей два спая двух разнородных проводников, возникает электрический ток, пропорциональный разности температур этих спаев.

Изобразим эту замкнутую цепь в виде схемы на рис. 1.20, б. Такое устройство получило название термопара.

48

Чтобы получить величину едля любой пары, нужновычислить разность табличных термоЭДС соответствующих материалов. Обратим внимание, что табличная термоЭДС может иметь разный знак. Для того чтобы выбрать пару материалов, у которых е максимально велико, нужно выбрать такие материалы, для которых табличные величины термоЭДС имеют разный знак. Обычно значение табличной термоЭДС невелико и имеет порядок 10-5 в/град.

Нам уже ясно, что термопару можно использовать для измерения разности температур. Для этогонужно выходной измерительный прибор (гальванометр, например) проградуировать в единицах разности температур - в градусах. Это нетрудно сделать, используя формулу (1.33). Однако величина термотока для одной термопары невелика. Для того чтобы её повысить, применяют термобатарею - несколько термопар, соединённыхпоследовательно. Схема такой термобатареиизnтермопар приведена нарис. 1.21.Разнородныеметаллыобозначенылиниямиразнойтолщины.

G

Рис. 1.21. Термобатарея

Температура верхнихи нижнихспаевразлична. Обозначив черезRt сопротивлениеодной термопары, Rg -внутреннеесопротивлениеизмерите- льногоприбора и r-сопротивлениесоединительных проводов, напишем формулу для тока в цепи:

Взнаменателеформулы (1.34)стоит общеесопротивлениевсей цепи, составленной из n термопар.

Из формулы (1.34) неясно, как зависит ток i от количества термопар n, поскольку n стоит как в числителе, так и в знаменателе формулы. Для выясненияэтоговопросарассмотримразличныесоотношениясопротивления входящих в цепь элементов.

1. Пусть сопротивлениетермобатареи малопосравнению ссопроти-

влением остальных элементов: nRt Rg r. Тогда малым сопротивле-

50