Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

где Е – ЭДС термопары, определяемая измеряемой температурой в

объекте и типом термоэлектродных поводов, мВ;

– сопротивление термоэлектродных проводов термопары, Ом;

– сопротивление соединительных проводов, Ом;

– дополнительное сопротивление, Ом;

– сопротивление рамки милливольтметра, Ом;

Подставив значение тока I в уравнение 2.22, получим градуиро-

вочное уравнение для магнитоэлектрического милливольтметра:

pдпT

RRRR

+++

⋅=ϕ

(2.30)

Для получения однозначной зависимости угла поворота рамки φ

от ЭДС термопары (т.е. от температуры в объекте) необходимо, чтобы

сумма сопротивлений в электрической измерительной цепи, входящая

в формулу 2.24, не изменялась в процессе измерения температуры.

Однако, на практике температура окружающей среды может меняться

в достаточно большом интервале температур от положительных до

отрицательных значений, что приводит к изменению сопротивления

проводов, входящих в электрическую схему милливольтметра. В мил-

ливольтметрах, особенно применяемых в промышленных условиях,

для уменьшения погрешности, вызванной отклонением температуры

окружающего воздуха от нормального (градуировочного) значения,

устанавливают дополнительное сопротивление, которое располагается

в корпусе прибора. Величина этого сопротивления (R

), выполненного

из манганина , в несколько раз (4-6 раз) больше суммы всех остальных

сопротивлений, что резко снижает погрешность измерения, так как

≈const в диапазоне от 0 до 100°С. Однако применение дополнитель-

ного сопротивления снижает чувствительность прибора, т.к. уменьша-

ется ток, протекающий через рамку милливольтметра и ограничивает

верхний предел R

д.

Ниже приводится пример оценки абсолютной погрешности изме-

рения температуры среды милливольтметром в комплекте с термопа-

рой при нормальных условиях.

Пример 2.4 Определить значение предельной абсолютной по-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

грешности при измерении температуры перегретого пара, показы-

вающим милливольтметром класса точности 0,5 со шкалой 0 - 600°С

(градуировка ХА) при нормальных условиях. Милливольтметр пока-

зывает температуру пара 540°С.

Основная допустимая погрешность милливольтметра составит:

С7,2

100

5405,0

±=

⋅

=∆ .

Допускаемое отклонение градуировочной характеристики термо-

пары типа ХА, рассчитанное по формуле (2.21), равно:

ΔΕ

=±[0,16+2,0⋅10

-4

⋅(t – 300 )]=±[0,16+2,0⋅10

-4

⋅(540 – 300)]=±0,21 мВ,

что соответствует по градуировочной характеристике (приложе-

ние Д) Δt = ± 5,3°C.

Допускаемое отклонение ЭДС компенсационных проводов рабо-

тающих в комплекте с термопарой ХА, равно ΔЕ

т.р.

=±0,15мВ, что со-

ответствует (приложение Д) Δt

к.п.

=±3,8°C.

Предельная погрешность измерения температуры составит:

С7С058,78,33,57,2)t()t()t(t

002222

.п.к

±≈±=++=∆+∆+∆±=∆

Применяемая в этом примере методика оценки предельной по-

грешности показаний для измерительного комплекта (милливольтметр

– термопара – компенсационные провода) хорошо согласуется с

опытными данными.

Милливольтметры, применяемые для измерения термо-ЭДС

термопар, по функциональному назначению могут быть показываю-

щими, самопишущими и регулирующими. По конструктивному ис-

полнению приборы бывают щитовыми и переносными. Для перенос-

ных приборов установлены следующие классы точности: 0,2; 0,5; 1,0,

а для щитовых –0,5; 1,0; 1,5. На шкале милливольтметра указывается

градуировка термопары (или пирометра), в комплекте с которым дол-

жен работать данный милливольтметр. Внутреннее сопротивление

милливольтметра для класса точности 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 должно быть не

менее 500; 300; 200 Ом. Внешнее сопротивление милливольтметров,

предназначенных для работы с термопарами, должно быть равно 5

или 15 Ом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

2.9 Компенсационный метод измерения термо-ЭДС термопары

Компенсационный метод получил широкое распространение при

измерении температуры с использованием термопар. Суть метода за-

ключается в уравновешивании (компенсации) ЭДС термопары извест-

ным напряжением, создаваемым посторонним источником. Этот ме-

тод позволяет измерять термо-ЭДС более точно, так как в момент из-

мерения ток в цепи термопары равен нулю и исключается погреш-

ность, связанная с влиянием температуры окружающей среды на со-

противление внешней цепи. Приборы, использующие данный прин-

цип, получили название «потенциометры».

На рисунке 2.27 показана простейшая схема потенциометра, ко-

торая состоит из делителя напряжения R, источника питания Б, нуль-

гальванометра НГ и термопары Т.

При измерении темпе-

ратуры термопара развивает

ЭДС, которая подключается

навстречу напряжению U,

снимаемому с части r дели-

теля напряжения. Переме-

щая движок делителя, мож-

но найти положение, когда

Е=U. В этом случае термо-

ЭДС Е будет уравновешена

падением напряжения U на

участке r делителя напря-

жения, и ток в цепи термо-

пары будет отсутствовать.

Стрелка нуль-гальванометра

покажет ноль. Главное пре-

имущество компенсацион-

ного метода заключается в

том, что сопротивление термопары и подводящих проводников не

оказывают влияния на измерение, что выгодно отличает этот способ

измерения от способа с использованием милливольтметра, рассмот-

ренного выше. Поэтому компенсационный метод получил широкое

распространение при измерении термо-ЭДС термопар, имеющих раз-

личную градуировку и различное собственное сопротивление.

Точность измерения ЭДС термопары компенсационным методом

зависит от стабильности тока в цепи делителя напряжения, т.е. вели-

НГ

мВ

Рисунок 2.27-Компенсационный

метод измерения термо-ЭДС

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

чина тока определяет стабильное значение напряжения, снимаемое с

любой точки делителя, так как U=I⋅r. Для более эффективного исполь-

зования преимущества компенсационного метода необходимо, чтобы

через делитель напряжения протекал один и тот же ток (градуировоч-

ный). С этой целью используется электрическая схема, в которой име-

ется контрольный источник напряжения, так называемый «нормаль-

ный элемент», при помощи которого можно устанавливать градуиро-

вочный ток в цепи делителя напряжения. Такая схема получила назва-

ние «потенциометр с постоянной силой рабочего (градуировочного)

тока в цепи делителя напряжения» (рисунок 2.28).

Потенциометр состоит из

трех контуров: измерительного I,

нормального элемента II, и тер-

мопары III. Прибор питается от

источника питания Б, значение

рабочего тока которого может

изменяться переменным рези-

стором R

Б.

Для точной установки

рабочего тока падения напряже-

ния на резисторе R

сравнивает-

ся с ЭДС нормального элемента.

Нормальный элемент – это элек-

трохимический источник с по-

стоянным значением ЭДС, вели-

чина которого равна 1,0186 В и

не меняется в течение длитель-

ного времени. Однако нормаль-

ный элемент имеет малую мощ-

ность и его можно использовать

только как контрольный источник напряжения, т.е. он применяется

как эталон постоянной ЭДС.

Перед тем, как измерить температуру, устанавливают стандарт-

ное (градуировочное) значение тока при помощи сопротивления R

Б.

Переключатель П стоит в этом случае в положении К – контроль. Пе-

ремещая движок сопротивления R

Б,

устанавливают стрелку нуль-

гальванометра в нулевое положение, что соответствует равенству

ЭДС нормального элемента падению напряжения на резисторе R

к,

т.е.

н.э.

= U

аб

(2.31)

Так как U

аб

= І R

, где І – ток в контуре 1, то в этом контуре уста-

К И

НЭ

НГ

мВ

- +

объект

III

Рисунок 2.28 – Потенциометр с

постоянной силой рабочего тока

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

новится стандартное значение тока, равное

const

.э.н

(2.32)

После операции стандартизации рабочего тока І переключатель П

переводят в положение И – измерение, при этом, нуль-гальванометр

включается в контур термопары. В этом случае сравнивается ЭДС

термопары с падением напряжения на участке r делителя напряжения

Перемещая движок R

добиваются установления стрелки нуль-

гальванометра в нулевую позицию. При этом, наступает полная ком-

пенсация неизвестного значения ЭДС термопары Е

известным потен-

циалом на сопротивлении r, т.е.

= I ⋅ r(2.33)

Таким образом, стрелка движка на реохорде (другое, более из-

вестное, название делителя напряжения), которое отградуировано по

длине в милливольтах, укажет на значение ЭДС термопары. Зная по

таблице градировочную характеристику данного типа термопары, оп-

ределяют значение температуры в объекте.

Применение потенциометра с постоянной силой рабочего тока

для измерения термо-ЭДС имеет следующие преимущества:

- независимость показаний от изменения сопротивления внешней

цепи;

- повышение точности измерения за счет повышения точности

установки рабочего тока (точность установки определяется точ-

ностью Е

н.э

и R

погрешность которых не превышает соответст-

венно 0,01% и 0,02%). Предельная погрешность потенциометров

составляет 0,05% и менее.

На практике получили большое распространение автоматические

потенциометры, которые исключают участие человека в проведении

операций компенсации входного сигнала термопары. Измерительная

схема автоматического потенциометра не отличается принципиально

от схемы потенциометра с ручным уравновешиванием.

На рисунке 2.29 приведена упрощенная схема устройства автома-

тического потенциометра. ЭДС термопары Е

сравнивается с компен-

сирующим напряжением U

, снимаемым с диагонали с-d неуравнове-

шенного измерительного моста. Мостовая измерительная схема явля-

ется более совершенной и позволяет автоматически вводить поправку

на температуру свободных концов термопары. Введение поправки

осуществляется добавлением в схему медного резистора R

, темпера-

тура которого равна температуре свободных концов термопары.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Падение напряжения на ре-

зисторе R

в точности равно

ЭДС термопары (конкретной

градуировки) при темпера-

туре ее свободных концов.

Таким образом, автоматиче-

ски вводится коррекция на

изменяющуюся температуру

свободных концов термопа-

ры за счет дополнительного

напряжения, снимаемого с

резистора R

м.

При измере-

нии температуры в объекте,

на вход усилителя подается

разность потенциалов, кото-

рая равна:

∆Е=Е

– U

(2.34)

Усиленный сигнал подается на реверсивный двигатель РД, кото-

рый одновременно перемещает движок реохорда R

и стрелку прибо-

ра. Перемещение движка R

будет происходить до тех пор, пока ∆Е

не станет равной нулю. При этом, двигатель остановится и по поло-

жению стрелки на шкале прибора измеряется температура в объекте.

Таким образом, любые изменения ЭДС термопары приводят к пере-

мещению движка реохорда R

т.е. прибор непрерывно автоматически

компенсирует измеряемый сигнал известным напряжением на части

реохорда.

Автоматические потенциометры выпускаются различных моди-

фикаций: показывающие (типа КВП1, КПП1); самопишущие с лен-

точной или круглой диаграммой (типов КСП4, КСП3); одно- и много-

точечные (2, 3, 12 каналов); малогабаритные (типа КСП2); миниатюр-

ные (типа КСП1); регулирующие, с выходными устройствами дистан-

ционной передачи показаний; с различным временем пробега стрелки

всей шкалы (в секундах: 1,0; 2,5; 5; 10; 16)

Класс точности серийных автоматических потенциометров 0,25;

0,5; 1,0. Градуировка шкалы выполняется либо в градусах Цельсия с

одновременным указанием на шкале типа применяемой термопары

или радиационного термометра, либо в милливольтах.

Рисунок 2.29 – Упрощенная измери

тельная схема автоматического

потенциометра

объект

ИПС

∆

−

∼

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Ниже на рисунке 2.30 приведена типовая принципиальная схема

одноточечного автоматического потенциометра. На этой схеме приня-

ты следующие обозначения: R

- реохорд, R

– шунт реохорда, служа-

щий для подгонки сопротивления реохорда до заданного нормирован-

ного значения, R

- токоотводящий реохорд; R

– резистор для уста-

новления диапазона измерения температуры; R

– резистор для уста-

новления начального значения шкалы; R

– резистор балластный, для

установки при различных градуировках определенного значения со-

противления верхней ветви измерительной схемы; R

– вспомогатель-

ный резистор из медной проволоки для автоматического введения по-

правки на изменение ЭДС термопары при изменениях температуры

его свободных концов; R

– контрольный резистор с сопротивлением

509,5 Ом для всех выпускаемых потенциометров, служащий для кон-

троля рабочего тока в из-

мерительной схеме при

градуировке прибора или

его поверке; ИПС – источ-

ник питания стабилизиро-

ванный; R′ R′′ – резисторы

в цепи ИПС для ограниче-

ния и регулировки рабоче-

го тока при градуировке

или поверке прибора; со-

противления R

ф1

ф2

, R

ф3

конденсаторы С

, С

образуют фильтры, устра-

няющие наводки и помехи,

возникающие в проводах

между термопарой и по-

тенциометром под дейст-

вием внешних электромаг-

нитных полей; ВП – виб-

ропреобразователь для

преобразования сигнала

разбаланса в переменное

напряжение; У – электрон-

ный усилитель; РД – ревер-

сивный двигатель; 1-2 –

зажимы, к которым при

градуировке прибора или

ИПС

∼

объект

ф1

ф2

ф3

ВП

Рисунок 2.30 – Полная измерительная

схема автоматического потенциометра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

его поверке присоединяют нуль-гальвонометр и нормальный элемент.

Все резисторы измерительной схемы автоматических потенцио-

метров, кроме R

, изготавливают из стабилизированной манганиновой

проволоки. В потенциометрах, работающих в комплекте с термопара-

ми градуировок ПП, ХА, ХК и других, резистор R

находится в непо-

средственной близости от свободных концов термопары.

Реохорд автоматического потенциометра является ответственным

узлом. Основные элементы реохорда – рабочая спираль R

и токоот-

вод R

(вспомагательная спираль). В потенциометрах типа КПП, КСП

и других, выпускаемых в настоящее время, рабочую и вспомогатель-

ную спирали изготовляют из сплава палладия и вольфрама, который

обладает большой стойкостью против истирания и окисления по срав-

нению с реохордом из манганиновой проволоки. Для повышения на-

дежности работы движок реохорда снабжается контактами, выпол-

ненными из сплава золото-серебро-медь. Надежность контакта, а, сле-

довательно, и работа реохорда обеспечивается также чистотой кон-

тактных поверхностей, защитой от загрязнений и необходимым кон-

тактным давлением.

Работа автоматического потенциометра осуществляется следую-

щим образом. ЭДС термопары уравновешивается падением напряже-

ния на участке "а–с". Это уравновешивание происходит автоматиче-

ски. Если U

ас

≠ Е

, то на вход электронного усилителя поступает раз-

ность сигналов ∆Е= U

ас

– Е

, которая усиливается по напряжению и

по мощности. Результирующий выходной сигнал электронного усили-

теля поступает на реверсивный двигатель РД, который перемещает

движок реохорда R

таким образом , что ∆Е начинает уменьшаться до

нуля, т.е. U

ас

= Е

. При этом, реверсивный двигатель остановится и

стрелка измерительного прибора, механически связанная с двигате-

лем, укажет измеренную температуру.

Автоматические потенциометры типа КСП могут осуществлять

дистанционную передачу показаний реостатными датчиками или с

помощью пневматических, токовых, частотных и ферродинамических

преобразователей. В приборы отдельных модификаций встраиваются

сигнализирующие и регулирующие устройства. Средний срок службы

приборов до среднего ремонта не менее 10 лет.

Наряду с автоматическими потенциометрами, использующими

компенсационную измерительную схему с реохордом, выпускаются

автоматические безреохордные потенциометры. В этих приборах так-

же используется компенсационный принцип измерения ЭДС термопа-

ры, но компенсирующее напряжение, зависящее от угла поворота вы-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

ходного вала исполнительного механизма, вырабатывается бескон-

тактным устройством. Упрощенная схема автоматического безрео-

хордного потенциометра представлена на рисунке 2.31.

Основным элемен-

том прибора является

электронный блок ПЧН –

преобразователь частот-

ного сигнала f

вых

в ком-

пенсирующее напряже-

ние U

постоянного тока.

При равенстве U

и изме-

ряемой термо-ЭДС тер-

мопары исполнительный

механизм следящей сис-

темы потенциометра на-

ходится в покое. Если

измеряемая ЭДС термо-

пары не равна компенси-

рующему напряжению

, то сигнал разбаланса

∆Е=Е

–U

подается на вход усилителя, где преобразуется в напряже-

ние переменного тока и усиливается до значения, достаточного для

приведения в действие реверсивного двигателя. Вал реверсивного

двигателя поворачивает ось преобразователя сигнала ПС, который

вырабатывает выходной сигнал f

вых

, пропорциональный углу поворота

входной оси. Этот сигнал поступает на вход электронного блока ПЧН,

где преобразуется в напряжение постоянного тока U

Вал реверсивного двигателя поворачивает входную ось преобразо-

вателя ПС и перемещает указатель на шкале до тех пор, пока компенси-

рующее напряжение U

не будет равно измеряемой ЭДС термопары.

Автоматические безреохордные потенциометры пока не полу-

чившие широкого распространения, имеют достаточные перспективы

применения из-за основного преимущества перед остальными прибо-

рами – это отсутствие дорогостоящего и часто ненадежного реохорда.

Приборы выпускаются в виде миниатюрных одноточечных показы-

вающих и самопишущих аппаратов типа ЭПП и ЭПС, имеющих класс

точности 0,5 и 1,0.

Потенциометры могут быть снабжены следующими дополни-

тельными устройствами: одним или двумя передающими преобразо-

вателями типов ПФ, ПС или ПП; сигнализирующим (регулирующим)

объект

∆

−

ПЧН

вых

Рисунок 2.31 – Упрощенная схема автома-

тического безреохордного потенциометра

ПС

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

четырехконтактным устройством, позволяющим осуществлять пред-

варительную и аварийную сигнализацию, двухпозиционное регулиро-

вание и другие операции.

2.10 Термометры сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на ис-

пользовании зависимости электрического сопротивления различных

материалов (в первую очередь металлов) от температуры. Зная дан-

ную зависимость, по изменению величины сопротивления термомет-

ра, судят о температуре среды, в которую он погружен.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элемен-

тов термометров сопротивления используются чистые металлы: пла-

тина, медь, никель и полупроводники. Электрическое сопротивление

металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрас-

тающим хаотическим движением свободных электронов, обусловлен-

ное увеличением тепловых колебаний атомов около своих положений

равновесия. В полупроводниках, в отличие от металлов, электриче-

ское сопротивление уменьшается при увеличении температуры, что

связано с резким возрастанием числа электронов проводимости.

К материалам (металлам и полупроводникам), применяемым для

изготовления термометров сопротивления, предъявляются обязатель-

ные требования – это стабильность градуировочной характеристики и

воспроизводимость результатов измерения в течение длительного

времени. Остальные характеристики, такие как высокая чувствитель-

ность, линейность градуировочной характеристики, большое удельное

сопротивление и другие являются желательными.

Из большого числа чистых металлов и сплавов для изготовления

термометров сопротивления в настоящее время применяются высоко-

чистые медь, платина, никель.

Медные термометры сопротивления типа ТСМ применяются для

длительного измерения температуры от –200 до +200

С. Сопротивление

меди изменяется практически линейно при изменении температуры:

= R

(1 + α

),(2.35)

где R

, R

– сопротивление термометра при температуре t и 0

С;

α – температурный коэффициент электрического сопротивления

медной проволоки, α = 4,28 ⋅ 10

-3

-1

К достоинствам меди следует отнести низкую стоимость, линей-

ную зависимость сопротивления от температуры, возможность полу-

чения тонкой проволоки высокой чистоты и в различной изоляции.