Тепловые измерительные преобразователи

Общие сведения.

 

Принцип действия тепловых преобразова­телей основан на изменении свойств металлов и полупроводни­

ков при воздействии температуры. Входной (измеряемой) вели­чиной таких преобразователей является температура. Ее преоб­разование осуществляется на основании уравнения теплового баланса, которое имеет следующий вид:

(6.1)

где — теплосодержание преобразователя; — количество теплоты, участвующей в обмене с окружающей средой; — теплота, выделяемая в преобразователе под действием электри­ческого тока.

Уравнение (6.1) показывает, что при неизменном количестве теплоты, участвующей в теплообмене с окружающей средой, теп­лосодержание преобразователя будет определяться только тепло­вым действием тока. К преобразователям, в которых используется это свойство, относятся термопары и терморезисторы (термисто­ры).

Термопары. Действие термопар основано на термоэлектриче­ском эффекте. Его сущность заключается в том, что при соеди­нении двух разнородных металлов или полупроводников в месте соединения возникает термоЭДС, зависящая от вида металлов или полупроводников и температуры места соединения. При из­менении температуры места соединения 1 (рис. 6.9, а) по отно­шению к свободным концам 2—2 между ними появляется термо­ЭДС, значение которой определяется разностью температур места соединения Т₁, и свободных концов Т₂:

,

где — температурный коэффициент материалов.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, зави­сит не только от разности температур соединенных и свободных концов, но и от свойств материалов, необходимо при изготовлении преобразователей сочетать такие металлы или полупроводники, которые имеют возможно большие термоЭДС один по отношению к другому.

Для измерения термоЭДС, развиваемых термопарами, приме­няют магнитоэлектрические милливольтметры или компенсато­ры постоянного тока. Их подключают к свободным концам тер­мопары. Градуируют схемы с термопарами при температуре их свободных концов, равной нулю.

 

 

Рис. 6.9. Схемы включения термопар: а — обычная: 1 — место соединения; 2 — свободные концы; б — для компенсации изменений температуры свободных концов

 

 

Погрешности измерений температуры при использовании тер­мопар возникают в основном вследствие нелинейной зависимо­сти термоЭДС от температуры, изменения температуры свобод­ных концов термопары и возникновения паразитных термоЭДС. Для уменьшения влияний нелинейности характеристики термо­пары используют различные корректирующие элементы, включа­емые в измерительную цепь.

Один из способов уменьшения нестабильности температуры свободных концов термопар — автоматическое введение по­правки. В качестве примера на рис. 6.9, б приведена схема вклю­чения термопары для компенсации нестабильности ее свобод­ных концов. При изменении температуры свободных концов термопары нарушается равновесие моста постоянного тока, в одно из плеч которого включен резистор RK с термозависимым сопротивлением (терморезистор). Возникающее на измеритель­ной диагонали моста напряжение при изменении сопротив­ления терморезистора компенсирует ту часть термоЭДС, кото­рая обусловлена изменением температуры свободных концов термопары.

Эффект термокомпенсации тем больше, чем выше термоста­бильность моста. Для этого в три плеча моста включают резисто­ры с малым температурным изменением сопротивления (чаше всего применяют для их изготовления манганин), а терморезис­тор располагают в зоне действия температуры свободных концов термопары.

Погрешности измерений температуры при помощи термопар зависят от многих факторов. Обычно они не превышают несколь­ких процентов. Инерционность схем с термопарами достигает нескольких минут.

Терморезисторы. Резисторы, сопротивление которых является функцией температуры, получили название терморезисторов.

Материалом для терморезисторов служат химически чистые ме­таллы и полупроводниковые материалы, обладающие стабильным температурным коэффициентом сопротивления (зависимость сопротивления от температуры).

Действие терморезисторов основано на теплообмене провод­ника, обтекаемого током, с окружающей средой, температуру ко­торой требуется преобразовать в пропорциональное изменение электрического сопротивления. Возрастающее при увеличении температуры тепловое возбуждение электронов металла или по­лупроводника вызывает изменение их проводимости. В терморе­зисторах температурные изменения проводимости обусловлены в основном содержанием примесей в полупроводниковом матери­але.

Основные требования, предъявляемые к материалам терморе­зисторов, — возможно больший и стабильный температурный коэффициент сопротивления, устойчивость материала преобра­зователя к воздействию химических сред и окислению, механи­ческая прочность и высокая температура плавления.

Из числа терморезисторов наибольшее распространение полу­чили преобразователи, изготовленные из меди, никеля или пла­тины. Для медных терморезисторов применяется чистая электро­техническая медь, которая из условий минимального окисления допускает нагрев до 200 °С. Особенность медных терморезисто­ров — почти линейная зависимость сопротивления от темпера­туры в диапазоне от -200 до +200 °С.

Платиновые терморезисторы допускают нагрев без окисления до 1200 °С. Несмотря на высокую стоимость платины и нелиней­ность ее характеристики она обладает высокой воспроизводимо­стью характеристики, а также химической стойкостью и пластич­ностью.

Преобразователи из никеля применяют до температур 250... 300 °С, причем почти в половине указанного диапазона тем­ператур характеристика преобразователя линейна. Кроме того, преобразователи из никеля обладают высоким температурным коэффициентом сопротивления (примерно в пять раз больше, чем у меди).

Терморезисторы представляют собой намотанный из металла на изолирующем каркасе резистор, помещенный в защитную оболочку.

Номинальное сопротивление медных терморезисторов обычно не превышает 10 000 Ом, платиновых — 500 Ом. Допустимая сила тока терморезисторов не превышает 10... 15 мА.

Для изготовления полупроводниковых терморезисторов используют германий и кремний, реже — графит. Полупроводни­ковые преобразователи в отличие от металлических обладают большим (отрицательным) температурным коэффициентом сопротивления (рис. 6.10). Это сопротивление для любого значения температуры можно определить по формуле

 

где

(R₁ и R₂ - при температурах Т₁ и Т₂ соответственно).

Поскольку удельное сопротивление полупроводниковых мате­риалов велико, можно изготавливать преобразователи температу­ры с большим сопротивлением при малых габаритных размерах. Такие преобразователи также имеют большое быстродействие (в связи с малой массой). Большинство терморезисторов, выпуска­емых промышленностью, предназначено для работы в диапазо­не температур от -100 до +300 °С.

Недостатки терморезисторов — нелинейность характеристи­ки и плохая ее воспроизводимость.

Терморезисторы отличаются не только по температурным, но и по вольт-амперным характеристикам. В качестве примера на рис. 6.11, а приведена наиболее типичная вольт-амперная харак­теристика терморезистора.

Конструкции современных терморезисторов очень разнооб­разны. Отдельные их конструкции выполняют в виде цилиндри­ческих стержней длиной несколько десятков миллиметров. Ми­нимальные размеры терморезисторов (без токоподводяших про­водников) достигают долей миллиметра.

Промышленность выпускает также полупроводниковые пре­образователи температуры с положительным температурным ко­эффициентом сопротивления — позисторы. Материалом для из­готовления позисторов служит в основном титанат бария с неко­торыми примесями. Позисторы изменяют сопротивление под действием температуры только в определенном диапазоне. Вне этого диапазона температурный коэффициент позистора отрица­тельный. Другая особенность позисторов — наличие на вольт- амперной характеристике (рис. 6.11, б) почти прямолинейного участка. Наибольшее распространение позисторы получили как преобразователи температуры в цепях контроля и автоматическо­го регулирования.

 

Контрольные вопросы

1. В чем преимущество измерения неэлектрических величин при помощи электрических измерительных средств?

2. Представьте и объясните обобщенную структурную схему цепи для измерения неэлектрических величин при помощи электрических средств.

3. Чем отличаются методы прямого преобразования и метод управ­ляющих величин?

4. Какие имеются общие свойства и характеристики у измеритель­ных преобразователей? Что такое градуировочная характеристика?

5. Как подразделяются измерительные преобразователи по принци­пу действия?

6. Приведите основные схемы индуктивных и индукционных преоб­разователей. Для чего они применяются?

7. На чем основан принцип действия магнитоупругих преобразова­телей? Как выглядят их характеристики?

8. Какие существуют виды тепловых измерительных преобразовате­лей?

9. На каких принципах основано действие термопар и терморезис­торов?

10. Какие разновидности термопар и терморезисторов существуют? Какие у них основные характеристики?

 

 

Тема 5. Принципы построения измерительных механизмов электрических приборов ([1], п.6.6, 6.8) (2 часа)

Магнитоэлектрические милливольтметры. Магнитоэлектрические логометры. Принципиальные схемы, конструктивные особенности. Дополнительные устройства.

 

6.6.Средства измерений сигналов термоэлектрических

термометров

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Магнитоэлектрический милливольтметр. Схема его измерительного механизма показана на рис. 6.10. Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита NS и цилиндрическим сердечником 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 7 для отсчета показаний по шкале 6 прибора закреплены на кернах 5, опирающихся на подпятники 3. Установленные на кернах спиральные пружинки 4, создающие противодействующий повороту рамки момент, крепятся одним концом к оси 5, а другим — к неподвижной части прибора. Кроме того, эти пружинки являются токоподводящими элементами рамки. Рамка, закрепленная на кернах, изготавливается как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения.

Для обеспечения большей чувствительности милливольтметров, гальванометров и самопишущих милливольтметров их рамка крепится на вертикальных ленточных растяжках из фосфористой бронзы. Эти ленты при повороте рамки, скручиваясь, создают противодействующий момент, и одновременно по ним осуществляется подвод тока в рамку. Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r и состоит из п витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой лаком. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельно вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент

. (6.27)

Противодействующий момент М_ПР, создаваемый спиральной пружиной или подвеской, равен

, (6.28)

где W— удельный противодействующий момент.

При некотором угле поворота j имеем: , т. е.

или , (6.29)

где — чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением R_M, из (6.29) имеем

, (6.30)

где - чувствительность прибора к напряжению.

Из (6.30) следует, что чувствительность прибора к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме рис. 6.11. Генерируемая ТЭП термоЭДС создает в замкнутой цепи ток

(6.31)

где R_AB, R_FD, R_C, R_у, R_р, R_Д — сопротивления термоэлектродов АВ, удлинительных проводов FD, соединительных линий C, уравнительной катушки, рамки милливольтметра и добавочной катушки соответственно; — внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи; — внутреннее сопротивление милливольтметра.

Представим (6.31) в виде

. (6.32)

Из (6.32) можно заключить, что измеряемое милливольтметров напряжение U_ab, подведенное к его зажимам ab, всегда меньше. чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.

В силу того что сведение к нулю при использовании милливольтметра невозможно, принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольта метром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС. Подставляя (6.31) в (6.29), имеем

. (6.33)

Отсюда следует, что если бы имело место , то между показанием j милливольтметра и измеряемой ЭДС была однозначная зависимость и шкалу милливольтметра можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного преобразователя AB. В то же время как R_ВН, так и R_M изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Покажем, что уменьшение указанной погрешности может быть достигнуто путем уменьшения отношения и уменьшения . Преобразуем (6.31) к виду

(6.34)

Из выражения (6.34) видно, что чем меньше отношение по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окpyжающей среды, сказывается на линейной связи между и . Уменьшение отношения возможно за счет увеличения R_M Так как рамка милливольтметра выполнена из медного провода с сопротивлением R_p, то R_M увеличивают за счет увеличения последовательно соединенного с рамкой добавочного сопротивления R_Д, выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R_M приводит к уменьшению чувствительности S_U милливольтметра. Обычно R_M=100—500 Ом, а отношение , что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R_ВН стандартизовано в пределах 0, 6—25 Ом и указано на шкале прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо сопротивление внешней линии подогнать к значению R_ВН, указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R_у. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она наносится без учета сопротивления внешней линии и показания по шкале соответствуют напряжению на зажимах, т. е. U_ab, по которому при известных R_ВН и R_M определяют из (6.34) термоЭДС для ТЭП любой градуировки, а затем значение измеряемой температуры по градуировочным таблицам.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносными и стационарными (щитовыми).

Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры классов точности 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 0.

Переносные милливольтметры имеют две шкалы (градусную и милливольтовую) или только одну милливольтовую. Эти приборы выполняют как показывающие и имеют классы точности: 0, 2; 0, 5; 1, 0.

Потенциометры. Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис. 6.12. Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока напряжением и реохорд (компенсационный резистор) R_ab. Этот контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС которого измеряется, и высокочувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также часть реохорда от точки а до подвижного контакта движка с. Функция нуль-индикатора состоит в обнаружении тока в цепи. Измеряемый источник включен навстречу дополнительному источнику так, что токи от обоих источников на участке идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре 1, через (рабочий ток), а ток для контура II при некотором положении движка С через , то на основании закона Кирхгофа для контура II справедливо равенство , где и — сопротивления нуль-индикатора и внешних проводов, включая ТЭП, откуда . Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда

(6.35)

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета значений coпротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.

Компенсирующее напряжение можно изменять двумя методами:

1) поддерживая значение тока напостоянном уровне, изменять сопротивление .

2) сохраняя сопротивление постоянным, изменять значение рабочего тока .

Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока, показанный на рис. 6.13.

Для контроля за постоянством тока предусмотрен дополнительный контур III — контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет собой образцовую меру ЭДС, равную и сохраняющую это значение при кратковременных и малых нагрузках в течение длительного времени.

При установке ключа Кл в положение К (контроль) проводят сравнение ЭДС нормального элемента с падением напряжения на постоянном резисторе . Если при этом стрелка нуль-индикатора не на нуле, т. е. в контуре III проходит ток, а это означает, что , то с помощью реостата изменяют ток в контуре I до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не установится на нуле. Тогда . Так как и Ом, то мА. После стандартизации значения тока ключ Кл переводят в положение И (измерение) и перемещают движок С реохорда до установления стрелки нуль-индикатора на нуле. При этом

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам, т. е. , и тогда

(6.36)

где

.

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины l участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения. Потенциометры, работающие по указанной схеме, имеют высокий класс точности, вплоть до 0, 0005.

Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока показана на рис. 6.14. Измеряемая термоЭДС компенсируется здесь падением напряжения на постоянном и известном сопротивлении путем изменения значения тока в компенсационном контуре I с помощью реостата . Движок последнего перемещается до тех пор, пока нуль-индикатор НИ в контуре II не покажет нуль, при этом отсчитывается значение тока по шкале миллиамперметра. Ввиду того что измеряемая термоЭДС зависит от точности и стабильности показаний миллиамперметра, рассматриваемый потенциометр уступает по точности потенциометру с постоянной силой рабочего тока.

В то же время схема потенциометра с переменной силой рабочего тока находит применение, в частности, при построении нормирующих токовых преобразователей (см. рис. 6.16 и 6.24).

Автоматические потенциометры. Измерительная схема автоматического потенциометра (рис. 6.15) основана на схеме потенциометра с постоянной силой рабочего тока (см. рис. 6.13). Однако здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения II и III. Контур III, содержащий в цепи резистор из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя. Свободные концы термоэлектрического преобразователя АВ с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору и находятся при одной с ним температуре. Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.

Для питания контуров II и III в современных автоматические потенциометрах вместо батареи постоянного тока (сухого элемента) используется источник стабилизированного питания ИПС, котором входное напряжение переменного тока 6, 3В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В (погрешность стабилизации ±5 или ±10 мВ соответственно для классов точности 0, 1 и 0, 2) при нагрузке 1000 Ом и токе нагрузки , равном 5 мА.

При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками d и k мВ. Благодаря использованию ИПС в автоматических потенциометрах установка рабочего тока осуществляется через несколько тысяч часов непрерывной работы, кроме того, упростилась кинематика механизма и повысилась надежность прибора.

 

 

Подключение к клеммам К₁ и К₂ нормального элемента и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока лишь при поверке и градуировке потенциометра. При этом . Обычно Ом, тогда мА; — резистор для установки рабочего тока ; — значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединяемых резисторов: собственно реохорда , шунта и сопротивления .

Такое исполнение реохордной группы связано с тем, что реохорд является ответственным узлом, предназначенным для измерения. Поэтому он изготавливается из проволоки специального сплава. При необходимости изменения сопротивления на участке ab, что бывает связано с изменением диапазона измерения, изменяют общее сопротивление этого участка за счет изменения , а иногда и , оставляя при этом стандартным.

Резисторы и служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока мА. В качестве нуль-индикатора НИ в автоматических потенциометрах используется электронный усилитель ЭУ, на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала небаланса напряжения постоянного тока в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающих в цепи термоэлектропреобразователя под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из сопротивления и конденсатора .

Рассмотрим работу автоматического потенциометра. Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС и некотором положении движка реохорда С ток в контуре измерения II равен нулю, т. е. скомпенсировано падением напряжения U_ce на участке cbde. Тогда сигнал небаланса равен нулю. При сигнале на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком небаланса формируется управляющий сигнал, при котором реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда С до тех пор, пока не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель У. Сведение к нулю небаланса , т. е. достижение полного равенства компенсирующего напряжения U_ce измеряемой термоЭДС , реализуется благодаря тому, что система автокомпенсации является астатической. Свойство астатичности достигается из-за наличия в системе регулирования небаланса интегрирующего или астатического звена, в качестве которого выступает здесь реверсивный двигатель.

Разберем теперь как осуществляется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термоэлектропреобразователя.

При некоторой температуре t рабочего спая и температуре свободных концов t_o=0 имеет место равенство

.

Пусть при той же температуре рабочего спая t температура свободных концов изменилась: . Тогда термо-ЭДСТЭПуменьшится на и станет равной . Повышение температуры от до приведет к увеличению значения сопротивления резистора от до , т. е. на . Вследствие этого падение напряжения на этом резисторе увеличится на , и тогда

.

Таким образом, при неизменной температуре рабочего спая t и любой температуре свободных концов для того, чтобы движок С не перемещался и не изменялось показание прибора, т. е. для того, чтобы небаланс равнялся нулю, необходимо обеспечить условие

(6.37)

Значение сопротивления медного резистора при определяют из (6.37), учитывая, что входящее сюда значение равно . Следовательно,

, (6.39)

где a — температурный коэффициент электрического сопротивления меди; , - принимают равным 50°С.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь конструктивным исполнением, имеют практически одну и ту же типовую измерительную схему, подобную приведенной на рис. 6.15. При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартные пределы измерения на заданный диапазон. Значения сопротивления резисторов измерительнойсхемы для заданного диапазона можно получить из следующих cooтношений.

Для заданных начального и конечного значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют и . Падение напряжения U_ab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т. е.

. (6.39)

Отсюда определяют значение , принимая . Так как , , R_Р=130 Ом и R_Э=90 или 100Ом, по найденному значению определяют R_П. Значение R_Н подбирают из условия

. (6.40)

Отсюда

(6.41)

Значение резистора R_б определяется из условия постоянства тока I₁=3 мА:

, (6.42)

откуда

или

. (6.43)

Автоматические потенциометры конструктивно, а также по дополнительно выполняемым функциям имеют ряд модификаций. Различают полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные автоматические потенциометры с шириной диаграммной ленты 250, 160 и 100 мм. Автоматические потенциометры выпускают в виде показывающих и самопишущих, одно и многоточечных. В них могут встраиваться регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для передачи показаний на расстояние с помощью токовых, частотных, пневматических и ферродинамических преобразователей.

В зависимости от модификации классы точности прибора равны 0, 25; 0, 5 и 1, 0. Несмотря на различия в конструктивном исполнении приборов и в их габаритных размерах измерительная схема автоматических потенциометров практически не отличается от схемы, приведенной на рис. 6.15.

Нормирующие преобразователи термоЭДС. Для введения информации от ТЭП в ЭВМ или в систему автоматического регулирования широко применяются нормирующие измерительные токовые преобразователи. Они предназначены для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: