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.

При подключении к термопаре, развивающей ЭДС , 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.

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.