Метрология. Контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине Технические измерения и приборы
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
3.5 Вторичные приборы для измерения температуры термометрами сопротивления Простейшая схема неуравновешенного моста, рис.3.5.1, со- стоит из плеч R 1 , R 2 , R 3 , R 4 и двух диагоналей: диагонали питания cd и диагонали измерения ab Основным условием равновесия моста является равенство произведений противоположных плеч моста: R 1 ⋅ R 4 = R 2 ⋅ R 3 Рис. 3.5.1. Простейшая схема неуравновешенного моста Если равенство соблюдается, то в измерительной диагонали неуравновешенного моста напряжение U ab равно нулю. Если одно из сопротивлений (например, R 3 ) выполнить из меди или платины и поместить в измеряемую среду, а остальные ( R 1 , R 2 , R 4 ) из ман- ганина, то при изменении температуры среды равновесие моста нарушается и через измерительный прибор (ИП) потечёт ток. Ве- личина тока, тем больше, чем более нарушено равновесие моста. Таким образом, устанавливается некоторая зависимость между отклонением указателя измерительного прибора и сопротивлени- ем термометра, позволяющая судить о температуре термометра, а следовательно и о температуре среды, в которой он находится. Шкала измерительного прибора нелинейна (растянута в на- чале и сжата в конце). На показания прибора влияет напряжение питания. В настоящее время для питания неуравновешенных мос- тов применяют стабилизированные источники питания (ИПС). 51 Преимуществом неуравновешенных мостов является их по- вышенная чувствительность к малым изменениям сопротивления. Это свойство неуравновешенных мостов используются в схемах различных газоанализаторов. Для измерения температуры приме- няют редко, т.к. шкала нелинейна. Для того, чтобы избежать этот недостаток одно из сопротив- лений R 1 , R 2 , R 4 выполняют переменным, а вместо измеритель- ного прибора (ИП) берут нуль – прибор (как более чувствительный – гальванометр). При нарушениях равновесия моста перемещают движок реохорда R 1 до тех пор, пока нуль – прибор не покажет нуль. Мост уравновешен. Отсчёт измеряемого сопротивления про- изводится по положению движка реохорда. Шкала такого прибора линейна. Для устранения влияния сопротивления соединительных проводов питание моста (точка С) присоединено непосредственно к термометру. В этом случае равновесие моста запишется (R 1 +R Л1 )·R 3t =R 2 ·(R 4 +R Л2 ) Таким образом, сопротивление ( R Л1 ) в левой части равенст- ва, сопротивление другой ( R Л2 ) правой и их влияние сводится к минимуму. В трёхпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения R Л с помощью отдельных подгоночных катушек, рис.3.5.2., выполненных их манганина. Рис. 3.5.2 Уравновешенный мост с трёхпроводным включением термометра сопротивления 52 3.5.1. Автоматический уравновешенный мост В автоматических уравновешенных мостах используется схема четырёхплечевого моста с реохордом. Эта схема, обеспечи- вая высокую точность техническим приборам, позволяет выпол- нять шкалы моста односторонние, безнулевые и двусторонние. На принципиальной схеме автоматического уравновешенного моста КСМ приняты следующие обозначения, рис.3.5.3. Рис. 3.5.3. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста КСМ – 3. R p – реохорд; R ш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопро- тивления R р до заданного нормированного значения; R н.р. =270 ± 0,1 Ом; Т о – токоотвод; R п – резистор для установления диапазона измерения; R д – резистор добавочный для установления начального значения шкалы ( обычно R д ≈ 5,5 Ом ); R 1 , R 2 , R 3 – резисторы мостовой схемы; R б – бал- ластный резистор в цепи питания для ограничения тока (не более 7–8 мА); R t – термометр сопротивления (платиновый или медный); R л – резистор для подгонки сопротивления линии; РД – реверсивный двигатель; СД – синхронный двигатель для вращения диаграммной бумаги. 53 Все резисторы мостовой измерительной схемы изготавли- вают из стабилизированной манганиновой проволоки с безындук- ционной (бифилярной) намоткой (проволока складывается вдвое и затем производится намотка). Как видно из рис.3.5.3., термометр сопротивления подклю- чён к мосту по трёхпроводной схеме. В этом случае сопротивление проводов, служащих для присоединения к термометру, распреде- ляется между двумя прилегающими плечами моста R t и R 1 Благо- даря этому достигается значительное снижение значения допол- нительной погрешности, вызываемой возможным изменением со- противления соединительных проводов вследствие изменения температуры окружающей среды. Номинальное суммарное значение сопротивления проводов, соединяющих термометр с мостом, установлено равным 5 0м или 15 Ом (указано на шкале прибора R ВН =15 Ом). Таким образом, сопротивление каждого провода с подгоночной катушкой R Л , при- нятое при градуировке прибора, равное 2,5 или 7,5 Ом с допусти- мым отклонением от номинала ±0,01 Ом. Положению равновесия мостовой схемы соответствует урав- нение: (R t +R л +R д +R пр ·m)·R 2 =( R л +R 1 )·(R 3 +(1 – m)) ·R пр , где R пр – приведённое сопротивление реохорда; п р н п р н пр R R R R R + ⋅ = ; пр пр R R m ′ = ; где пр R ′ - сопротивление участка правее движка а. При нарушении равновесия мостовой схемы прибора вслед- ствие изменения сопротивления термометра R t на вход усилителя подаётся напряжение небаланса с вершин а и b Это напряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведе- ния в действие реверсивного двигателя. Выходной вал двигателя, кинематически связанный с движком реохорда, передвигает его до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет рав- ным нулю. При достижении равновесия мостовой схемы ротор ре- версивного двигателя останавливается, а движок реохорда с ука- зателем и пером занимают положение, соответствующее изме- ряемой температуре. 54 В схеме уравновешенного моста КСМ – 3 предусмотрен кон- троль исправности прибора. При установке переключателей П 1 , П 2 , П 3 в положение К зажимаются зажимы А, В и С и одновре- менно параллельно резистору R 1 включается резистор R ки , что вызывает небаланс схемы моста. При исправном приборе указа- тель должен установиться против красной отметки на шкале. По- ложение красной отметки выбирается с помощью сопротивления R ки Уравновешенные мосты КСМ – 3 выпускаются классом точ- ности 0,5. Пределы допускаемой основной погрешности записи на всех отметках диаграммы равны ±1% нормирующего значения из- меряемой величины. В зависимости от размеров корпуса, отдель- ных элементов и блоков, автоматические уравновешенные мосты разделяются на миниатюрные (КПМ – 1, КСМ – 1), малогабаритные ( КВМ – 1, КСМ – 2, КСМ – 3) и нормально габаритные КСМ – 4. 3.5.2. Логометры Промышленность выпускает показывающие логометры ти- пов Л – 64, ЛПр – 66, ЛР – 64 – 02 и др. Логометры являются при- борами магнитоэлектрической системы, рис.3.5.4. Возможны два варианта конструкций измерительных меха- низмов. в механизме, показанном на рис. 3.5.4,а, воздушный зазор увеличивается от центра полюсных наконечников к их краям, а на рис. 3.5.4,б – убывает. Рис. 3.5.4 Упрощённая схема логометра 55 Ток, идущий от источника питания ИПС (постоянное напря- жение 4 В)), разветвляется на I 1 и I 2 Ток I 1 проходит через посто- янное сопротивление R и обмотку рамки А , а I 2 – R t и обмотку рамки В Рамки А и В изготавливают таким образом, что прохо- дящий по ним ток создаёт моменты, направленные в противопо- ложные стороны. В положении, когда моменты равны друг другу, подвижная система логометра находится в равновесии, т.е. М 1 = М 2 или 2 1 I B n S I B n S ⋅′ ⋅′ ⋅′ = ⋅ ⋅ ⋅ , где В и B ′ - магнитная индукция в зонах расположения ра- мок А и В ; n и n ′ - число витков рамок; S и S ′ - площадь активной части рамок. Т.к. n S n S ′ ⋅′ = ⋅ , то B / B I / I I B I B 2 1 2 1 ′ = → ⋅′ = ⋅ B / B ′ является функцией угла ϕ отклонения подвижной части, т.е. ) ( f I / I 2 1 ϕ = Соотношение токов зависит от R t , следо- вательно ϕ =f(R t ) При повышении температуры величина R t увеличивается ток I 2 уменьшается, следовательно, и момент М 2 уменьшается. Рамки поворачиваются по часовой стрелки. При этом рамка А , по кото- рой протекает больший ток, попадает в более широкий зазор, где магнитное поле слабее, а рамка В, наоборот, в более сильное по- ле, т.к. момент М 1 будет уменьшаться, а М 2 увеличиваться. Под- вижная система остановится, когда моменты уравновесят друг друга. Каждому значению сопротивления R t соответствует опре- делённый угол поворота. Изменение напряжения питания логометра (до 20%) не вно- сит дополнительной погрешности, т.к. приводит к одинаковому от- носительному изменению токов в рамках. Для повышения чувстви- тельности и уменьшения влияния сопротивления соединительных проводов в реальных схемах (рис.3.5.5) рамки R p1 , R p2 включают в диагональ АВ неуравновешенного моста из постоянных сопротив- лений R 1 , R 2 , R 3 , R 4 56 Рис. 3.5.5. Электрическая схема логометра Средняя точка e через R 5 и R 6 подключена к точке c Эти со- противления служат для уменьшения погрешности при изменении температуры окружающей среды. Все сопротивления в схеме подбирают таким образом, чтобы при среднем значении сопротив- ления R t , токи проходящие через рамки логометра, и вращающие моменты, были одинаковы. При этом указатель прибора занимает на шкале среднее значение. Контрольное сопротивление R к служит для проверки ис- правности логометра – при подключении этого сопротивления в схему указатель должен установиться на красную контрольную отметку. 3.5.3. Приборы А – 566 Прибор А – 566 предназначен для измерения температуры, для сигнализации отклонения её от заданного значения и преобра- зования её значения в выходной 4-, 5- разрядный двоично- десятичный код с весами двоичного разряда 8 – 4 – 2 – 1. В основу работы прибора положен принцип время- импульсного преобразования входных сигналов с применением метода двухтактного интегрирования. Для увеличения помехозащищённости прибора производит- ся интегрирование с применением ступенчатой весовой функции, а также усреднение десяти последовательных измерений в режиме усреднения. В приборах имеется схема линеаризации, выполнен- ная в цифровой части. Коррекция аддитивной составляющей по- грешности прибора производится автоматически. 57 Приборы работают в комплекте с термопреобразователями сопротивления, допускающими работу при значениях тока чувст- вительного элемента не менее 5 мА. Приборы обеспечивают: - измерение в цифровой форме по любому из 12 каналов; - измерение в режиме однократного отсчёта или в режиме усреднения (У); - формирование двух независимых выходных позиционных сигналов отклонения параметра от заданного значения с помощью двух независимых дискретных задатчиков; - автоматическое определение полярности контролируемого параметра (температуры); - исключение влияния сопротивления линий на результат измерения. 3.6. Термоэлектрические преобразователи ( ГОСТ 6616-94) Для практического использования термопар необходимо знать три основных закона, устанавливающих правила их подклю- чения. Следует подчеркнуть, что интерфейсные электронные схе- мы всегда должны подсоединяться к двум идентичным проводни- кам. Эти проводники, как правило, третьим проводом, используе- мого для подключения измерительного устройства. Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на 3.6.1 а. Термо- электроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помешаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол де- лается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца. Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара ра- зомкнута. ЭДС термопары обычно не превосходит 50 мВ. Устройство термопары промышленного типа, применяемое для измерения температур в печах, соляных ваннах, газоходах, рассмотрим на примере термопары, изображенной на рис. 3.6.1 б. 58 а) б) Рис. 3.6.1. Конструкция термоэлектрических преобразователей Эта термопара из неблагородных металлов расположена в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепле- ния. Рабочий спай 9 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 8. Термоэлектроды изолированы бусами 6. Защит- ная труба состоит из рабочего 7 и нерабочего 4 участков. Пере- движной фланец 5 крепится к трубе винтом. Головка термопары 59 имеет литой корпус 3 с крышкой 11, закрепленной винтами 1. В головке винтами укреплены фарфоровые колодки 2 с незакреп- ленными зажимами 10. Они позволяют термоэлектродам улти- няться под воздействием температуры без возникновения механи- ческих напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлек- тродов. Основным вопросом при конструировании термопар про- мышленного типа является выбор материала защитной трубы (ар- матуры) и изоляции. Защитная арматура термопары должна ограждать ее от воз- действия горячих химически агрессивных газов, которые быстро разрушают термопару, поэтому арматура должна быть газонепро- ницаемой, хорошо проводить теплоту, быть механически стойкой и жароупорной. При температурах до 600 0 С обычно применяют стальные трубы без шва, при температуре до 1100 0 С – защитные трубы из легированных сталей, для термопар из благородных ме- таллов – в основном кварцевые, фарфоровые трубы. В качестве изоляции термоэлсктродов друг от друга до 300 0 С используют ас- бест; до 1300... 1400 0 С – фарфоровые трубки или бусы и до 2000... 2500 0 С – кварцевые трубки или бусы. В лабораторных ус- ловиях при измерении низких температур используют теплостой- кую резину – до 150 0 С; шелк – до 100...120 0 С; эмаль – до 150...200 0 С. Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную тру- бу, обычно выполняются жесткими, а соединения их с другими элементами измерительной цепи осуществляется гибкими прово- дами. Соединительные провода, идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочего спая, называются удлинительными электродами. Эти электроды в необходимом диапазоне температур должны иметь такую же термоЭДС, как и электроды основной термопары, и места присоединения удлини- тельных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны быть одинаковой температуры. При невыпол- нении этих условий возникает погрешность измерения. Удлини- тельные термоэлектроды для термопар из неблагородных метал- лов выполняются из тех же материалов, что и основные термо- электроды. Например, для термопары платинородий–платина применя- ют удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, обра- зующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий – платина в пределах до 150 0 С. Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность, определяемая как время, за 60 которое показания термопары при переносе из среды с комнатной температурой (15...20 0 С) в среду с температурой 100 0 С достигают 97... 98 0 С. Для уменьшения инерционности необходимо обеспе- чить хороший тепловой контакт между рабочим спаем термопары и средой с измеряемой температурой. 3.6.1. Законы термоэлектричества Закон 1. Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электрических цепей. В случае однородного проводника при любом распределении температуры вдоль его длины результирующее напряжение будет всегда нулевым. Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо-ЭДС цепи, со- стоящей из любого количества термопар (соединений разных ма- териалов), будет всегда равна нулю, если все соединения нахо- дятся при одинаковой температуре. Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополнительный материал С, не изменяя результи- рующее напряжение U при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру. Нет ограничений на количе- ство внесенных проводников, необходимо поддерживать одинако- вую температуру в местах их подключения. Из этого закона также следует, что термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом, даже с использованием промежуточных мате- риалов (например, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавле- нием и т.д. Закон 3. Если два соединения разных материалов, находя- щихся при температурах Т 1 и T 2 , вырабатывают термо-ЭДС U 1 , а при температурах Т 2 и Т 3 результирующая термо-ЭДС равна U 2 , то при температурах T 1 и Т 3 выходное напряжение U 3 = U 1 + U 2 Этот закон иногда называется законом промежуточных тем- ператур. Он позволяет калибровать термопары в одном темпера- турном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также следует, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены до- полнительные провода без изменения ее характеристик. |