2.4. Вторичные приборы для измерения термоэлектродвижущей силы
Наиболее широкое применение для измерения ТЭДС нашли милливольтметры и потенциометры.
Милливольтметры – магнитоэлектрические приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии подвижного проводника (рамки), по которому протекает ток с магнитным полем постоянного магнита.
Между полюсами магнита располагается цилиндрический сердечник, а в кольцевом пространстве – подвижная рамка, выполненная из намотанного медного изолированного провода. Момент противодействия создается спиральными пружинками, которые одновременно служат и для подвода тока к рамке. Этот момент определяется формулой :
,
(2.4.1)
где
– коэффициент, зависящий от конструктивных
параметров рамки;
– магнитная индукция, Т;
– сила тока, А.
Этот момент уравновешивается упругим моментом спиральных пружин:
(2.4.2)
где
– коэффициент, зависящий от геометрических
параметров пружин;
– модуль упругости.
Приравнивая (2.4.1) и (2.4.2), получим:
(2.4.3)
Учитывая, что
– практически величина постоянная,
можно записать:
, (2.4.4)
что позволяет сделать вывод о равномерности шкалы милливольтметра.
,
милливольтметра с сопротивлением
,
ток, протекающий в цепи, определяется
следующим выражением:
(2.4.5)
Рис. 2.4.1
где
– сопротивление термопары, Ом;
– сопротивление
соединительных проводов, Ом.
Откуда
,
где
.
Таким образом, на показания прибора влияет изменение сопротивления милливольтметра и соединительных проводов.
Напряжение определяется по формуле
.
Из уравнения
видно, что чем больше
,
тем ближе значение
к ТЭДС
.
Практически сопротивление
составляет от 100 до 500 Ом. Для исключения
влияния температуры окружающей среды
на изменение сопротивления соединительных
проводов и рамки милливольтметра
последовательно с рамкой включают
дополнительное манганиновое сопротивление:
отношение
,
где
– сопротивление рамки.
Сопротивление
выбирается из следующего ряда: 0,6; 1,6;
5; 15; 25 Ом. Для подгонки сопротивления к
этим значениям используют уравнительные
манганиновые катушки. В случае подключения
к одному милливольтметру нескольких
термопар одной градуировки каждая цепь
термопары должна быть подогнана под
требуемое сопротивление
.
Приборостроительной промышленностью выпускается большая номенклатура милливольтметров различного типа и класса точности от 0,5 до 2,5.
В промышленности используются показывающие милливольтметры с двухпозиционным контактным устройством класса 1,5 в комплекте с термопарами различной градуировки.
Рис. 2.4.2
В основу работы
потенциометров положен
метод, основанный на уравновешивании
(компенсации) или нулевой метод измерения
электродвижущей силы, развиваемой
термопарами. При этом измеряемая ТЭДС
уравновешивается (компенсируется) с
помощью разности потенциалов
вспомогательного источника напряжения.
На приведенной схеме (рис.2.4.2) источник постоянного напряжения включен последовательно с переменным сопротивлением (калиброванная проволока). Последовательно с термопарой включен чувствительный милливольтметр НП (нуль-прибор), являющийся индикатором тока в цепи термопары. Для измерения ТЭДС движок реохорда перемещают до тех пор, пока стрелка НП не установится на нулевой отметке.
Рассмотрим
соотношение токов в измерительной
цепи. Термопара подключается таким
образом, что токи
и
направлены в одну сторону:
.
Из II закона Кирхгофа:
;
.
Таким образом,
при
будем иметь:
.
Так как сила тока на участке цепи равна силе тока во всей цепи, будем иметь:
,
откуда
.
В момент компенсации
,
тогда
.
Или (с учетом, что реохорд-калиброванное сопротивление):
,
т.е. ТЭДС не зависит от
и
.
Таким образом, реохорд можно снабдить градуированной шкалой в мВ или °С.
Для периодической поверки мостовой схемы применяется также компенсационный метод с использованием гальванического элемента Вестона, имеющего при температуре 20 °С напряжение 1,0183 В. ЭДС элемента направлена навстречу ЭДС вспомогательного источника тока . С помощью того же индикатора НП и переменного сопротивления осуществляется регулировка так, чтобы НП показывал “0”. В этом случае ток в компенсационной цепи определяется:
.
Переводя затем переключатель в положение “П” с помощью реохорда, добиваются равновесия, при этом можно записать:
,
т.е. сопротивление ТЭДС сводится к измерению участка реохорда.
Таким образом, пользуясь этим методом измерения, практически исключается протекание тока по цепи термопары, что исключает влияние сопротивлений самой термопары и соединительных проводов. В этом безусловное преимущество компенсационного метода.
В практике применяются разработанные на этом методе переносные потенциометры и образцовые, служащие для точных измерений.
В системах технологического контроля применяются автоматические электронные потенциометры.
Наибольшее
распространение получили автоматические
потенциометры типа КСП. Термопара
подключается с помощью фильтра
-
для уменьшения влияния наводок на
результаты измерений последовательно
с электронным усилителем в одну диагональ
мостовой схемы. В другую диагональ
подключается источник питания
стабилизированный (ИПС).
На рис. 2.4.3
– сопротивление шунта;
– сопротивление
подгонки предела измерения;
– установки начала
шкалы
– балластное сопротивление;
и
– для регулировки рабочего тока от
ИПС.
Резистор предназначен для температурной компенсации температуры свободных концов термопары.
Выбор значений токов в ветвях измерительной схемы осуществляется исходя их следующих требований:
токи должны обеспечить требуемые падения напряжения на реохорде и сопротивлениях;
ток должен быть незначительным и не вызывать нагрева сопротивлений схемы.
В соответствии с
этими требованиями ток выбран равным
5 мА, при этом
мА и
мА.
По
заданным пределам температуры
и
выбирается требуемый тип термоэлектрического
термометра и по ее градуировочным
таблицам определяют предельные значения
ЭДС
и
.
Предел измерения:
.
Сопротивление:
,
где
– ток, протекающий по сопротивлению
;
– ЭДС нормального
элемента,
В.
Падение напряжения на приведенном сопротивлении цепи реохорда, состоящей из трех параллельно включенных сопротивлений , и , должно быть равно заданному пределу измерения:
.
Отсюда
.
Эквивалентное
сопротивление
принимают 90, 100 или 300 Ом.
Тогда
,
где
– коэффициент, учитывающий нерабочие
участки реохорда,
.
После преобразования получим:
.
Сопротивление
определяется следующим образом. При
минимальном значении параметра
.
Отсюда
.
Потенциометры построены по блочному принципу. Блоки и отдельные элементы располагаются внутри корпуса на выдвижном кронштейне.
Соединение между блоками осуществляется с помощью штепсельных разъемов. Регулятор лентопротяжного механизма позволяет перемещать ленточную диаграмму с различными скоростями. Их переключение возможно без выключения прибора с помощью рукоятки, расположенной на лицевой части кронштейна.
Печатающее устройство многоточечных приборов выполнено в виде барабана с нанесенными на нем цифрами.
Потенциометры выпускаются различных типов. В частности, приборы показывающие, одноточечные малогабаритные, показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой. Тоже многоточечные (1, 3, 6 и 12 точек). С дисковой диаграммой , и, наконец, со складывающейся на 1, 3, 6 и 12 точек измерения и регистрации.
Относительная погрешность измерения 0,25.
В потенциометры могут быть встроено реостатное устройство для дистанционной передачи информации, реостатный задатчик и устройство аварийной сигнализации, двух-, трехпозиционные регулирующие устройства, пневморегуляторы, регулирующие по ПИД-закону. Реостатный задатчик может работать с пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) электрическими регулирующими устройствами.
Многоточечные приборы снабжены переключателем, автоматически подключающим к измерительной схеме по очереди все датчики. После наступления равновесия печатающий механизм каретки ставит точку с порядковым номером датчика.
Динамические свойства автоматического потенциометра характеризует функция:
,
где
,
– время прохождения указателем шкалы
прибора, составляет 1-10 с.