Средства измерений, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления

В практике технологических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической атте­стации термопреобразователей сопротивления, проводимых обыч­но в лабораторных условиях, получили применение потенциомет­ры постоянного тока.

Уравновешенные мосты подразделяют на неавтоматические и автоматические. В них используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических мостов, используемых в лаборатор­ных условиях, измеряют сопротивление от 0,5 до 10⁷ Ом, в част­ности производят градуировку термопреобразователей сопротив­ления и измеряют температуру.

Рис. 37 Схема уравновешенного Рис. 38 Трехпроводная схема

моста соединения термопреобразователя

сопротивления с мостом

Схема уравновешенного моста показана на рис. 37. Диаго­наль питания моста ab содержит источник тока, а диагональ измерения dc нуль-индикатор, в частности нуль-гальванометр. Между точками подключения разноименных диагоналей располагают­ся плечи моста, состоящие в данном случае из постоянных рези­сторов R1 и R2 и регулируемого Rз, а плечо cb содержит измеря­емое сопротивление Rt и два соединительных провода каждый сопротивлением Rвн. Если мост уравновешен, то ток Iни в диаго­нали cd равен нулю, а токи в соответствующих плечах равны, т. е. I2 = I3 и I1 = It, и как следствие, имеем и . Разделив два последних равенства друг на друга, с учетом равенства соответствующих токов имеем

Полученное выражение, выведенное из условия Iни =0, пре­допределяет условие равновесия моста: чтобы мост находился в равновесии, необходимо соблюсти равенство произведений сопро­тивлений противоположных его плеч. Это достигается путем регу­лирования сопротивления резистора R3 до тех пор, пока нуль-ин­дикатор не покажет нуль.

Таким образом, при равновесии моста имеет место равенство

Отсюда следует, что неизвестное сопротивление Rt может быть определено по значению R3 при постоянном отношении плеч R1/R2, а также при неизменном значении Rвн. В то же время Rвн изменяется с изменением температуры окружающей среды, что приводит к искажению результата измерения Rt и в тем большей степени, чем меньше значение Rt. Указанный недостаток может быть устранен путем трехпроводного соединения термопреобразо­вателя сопротивления с мостом (рис. 38). При таком соедине­нии питающая диагональ моста доводится (точка b) до термо­преобразователя сопротивления. В результате этого соединитель­ные провода оказываются разнесенными к двум плечам моста: одно из сопротивлений Rвн — в плече вместе с сопротивлением R₃, а другое Рвн — в смежном плече вместе с Rt.

Тогда условие равновесия моста:

R1(R3+Rвн)=R2(Rt+Rвн)

откуда

Rt=(R1/R2)(R3+Rвн)-Rвн

Если сделать мост симметричным (R1=R2), то будем иметь Rt=R3, т. е. результат измерения Rt в этом случае не зависит от сопротивления соединительных проводов Rвн.

Недостатком уравновешенных мостов, собранных по указанным схемам (рис. 37 и 38), является неопределенность в измерении, которую вносит переходное сопротивление контакта в регулируемом плече Rt. Для устранения этого недостатка подвижный контакт располагают в измерительной диагонали, при этом регулируемое сопротивление оказывается размещенным в двух плечах. Таким образом, при уравновешивании моста путем пере­мещения контакта изменяется сопротивление сразу обоих плеч, а переходное сопротивление контакта, располагаемое теперь в измерительной диагонали, из-за отсутствия тока в момент уравновешивания не сказывается на результате измерения.

Достоинством уравновешенных мостов является независимость их от напряжения питания, минимально допустимое значение которого определяется чувствительностью нуль-индикатора.

Автоматический уравновешенный мост, собранный по схеме с переменным сопротивлением плеч и трехпроводным соединением термопреобразователя сопротивления с мостом, показан на рис. 39.

Рис. 39 Схема автоматического уравновешенного моста

Переменное сопротивление здесь содержит три параллельно соединенных резистора: Rp-— собственно реохорд, выполняющий измерительные функции; Rш— шунт реохорда; Rn— резистор для подгонки заданного значения параллельного соединения сопро­тивлений всей реохордной группы; Rпр, R1, R2, R3 — резисторы мостовой схемы; Rд —добавочный резистор для подгонки тока из условия минимального самонагрева термопреобразователя сопро­тивления; Rб, — резистор балластный в цепи питания для ограни­чения тока; Rt— термопреобразователь сопротивления; Рл— ре­зистор для подготовки сопротивления соединительной линии; т — положение движка реохорда правее точки d в долях от Rпр; п. — положение движка реохорда левее точки d в долях от Rпр.

Для получения линейной зависимости положения движка рео­хорда от изменения сопротивления резистора Rt последний вклю­чается в плечо, прилежащее к реохорду.

В качестве нуль-индикатора НИ в автоматических мостах ис­пользуется электронный усилитель ЭУ. Автоматические мосты пи­таются как переменным, так и постоянным током. В последнем случае на входе ЭУ устанавливается модулятор, подобно тому, как это делается в автоматических потенциометрах. При измене­нии температуры изменяется сопротивление Rt и мост выходит из равновесия, т. е. в измерительной диагонали cd появляется нап­ряжение дебаланса , которое усиливается усилителем ЭУ до значений, достаточных для вращения ротора реверсивного двига­теля РД в соответствующую сторону, в зависимости от знака дебаланса. Вал РД, связанный с движком реохорда, перемещает его до тех пор, пока дебаланс не станет равным нулю. Одно­временно с движком перемещается каретка с пером и стрелкой, указывающей по шкале положение т движка или, что то же, зна­чение измеряемой температуры. При изменении температуры от минимального до максимального значения движок перемещает­ся из одного крайнего положения в другое (для схемы, показан­ной на рис. 39, соответственно справа налево). Пусть при тем­пературе, соответствующей начальному значению шкалы прибо­ра, измеряемое сопротивление Rt равно Rtнач, а при изменении температуры Rt=Rtнач+∆Rt. Условия равновесия для двух этих случаев представляются в виде

(Rtнач+Rл+Rд+Rпр)R2=(R1+Rл)R3

и

(Rtнач+∆Rt +Rл+Rд+Rпр-mRпр)R2=(R1+Rл)(R3+mRпр)

Вычитывая из второго равенства первое и решая относительно т, получим

Отсюда видно, что m — линейная функция ∆Rt. Кроме того, из последнего выражения следует, что, несмотря на трехпроводную схему соединения термопреобразователя сопротивления с мостом, показания последнего зависят от изменения сопротивления соеди­нительных проводов. Однако эта зависимость, как показывают расчеты, незначительна и при изменении температуры окружающей среды до t=40°C изменение сопротивления проводов; Rл приводит к изменению показаний прибора в пределах (0,05—0,1)% от нормирующего значения измеряемой величины для различных диапазонов измерения. Полностью отсутствует влияние сопротивления соединительных проводов при симметричном мос­те, т. е. когда R1=Rt+Rд+Rпр-mRпр. Так как это условие может быть реализовано лишь при одной измеряемой температуре, то обычно его выполняют для температуры t_сред, соответствующей середине диапазона шкалы. При этом

Назначение, устройство и принцип работы основных узлов автоматического моста — модулятора (при питании моста постоянным током), электронного усилителя, реверсивного двигателя, реохорда, записывающего устройства, привода диаграммы, переключателя (в многоточечных приборах) — такие же, как и в авто­матических потенциометрах.

Выпускаемые в настоящее время автоматические мосты отли­чаются друг от друга назначением, конструкцией, размерами, точ­ностью измерения и другими техническими характеристиками, например мосты одноточечные и многоточечные, самопишущие и показывающие с ленточной, а также с дисковой диаграммой: пол­ногабаритные, малогабаритные и миниатюрные с шириной диаг­раммной ленты соответственно 250, 160 и 100 мм. Измерительная схема всех этих мостов незначительно отличается от схемы, при­веденной на рис. 5.20. Классы точности автоматических мостов равны 0,25; 0,5 и 1, а время пробега стрелки всей шкалы 1; 2,5 и 10 с. В автоматические мосты встраиваются электрические и пневматические регулирующие устройства, а также устройства сигнализации; для дистанционной передачи показаний — преобра­зователи пневматические, токовые, частотные и др.

Неуравновешенные мосты не требуют уравновешивания тока, проходящего в его измерительной диагонали. Значение этого тока является мерой подсоединенного к мосту измеряемого сопротив­ления. Это основное преимущество неуравновешенных мостов.

Неуравновешенные мосты относительно редко используются для измерения температуры. Они широко применяются в различ­ных газоанализаторах, где в качестве чувствительного элемента используются нагреваемые электрическим током металлические или чаще полупроводниковые резисторы. В неуравновешенном мосте (рис. 40) сопротивления трех плеч R1,R2,R3 —постоян­ны, Rб — реостат в диагонали питания, П — переключатель, с по­мощью которого к четвертому плечу моста подключается измеря­емое сопротивление Rt (положение И) или контрольное сопротив­ление R_к (положение К). Значение тока Iд, проходящего через миллиамперметр тА, определяется выражением

где M=f(R1,R2,R3,Rt)

Несмотря на то что М зависит также от изменяющегося со­противления Rt. при малых изменениях его значение М можно считать постоянным. Тогда следует, что если напря­жение в диагонали аb питания моста Uab постоянно, то ток в измери­тельной диагонали ее линейно зависит от Rt. Для контроля постоян­ства значения Uab переключатель из положения И время от времени устанавливают в положение К. Если значение напряжения Uab равно значению, принятому при градуировке прибора, то в положении К значение тока Iд должно быть вполне определенным и стрелка миллиамперметра должна устанавливаться на контрольном зна­чении шкалы, отмеченном цветной линией. В противном случае указанное достигается путем изменения сопротивления реостата Rb. В последнее время применение стабилизированных источников питания (ИПС) вместо батарей постоянного тока исключает необходимость контрольных процедур проверки постоянства нап­ряжения питания моста. Если в качестве измеряемого сопротив­ления Rt используются не полупроводниковые резисторы, то с целью исключения погрешности от влияния изменения сопротивления соединительных проводов при изменении их температуры применяют трехпроводную схему соединения Rt с мостом. Для этого точку b диагонали питания ab смещают до термопреобразователя сопротивления.

Рис. 40 Схема неурав- Рис. 41 Схема магнитоэлектрического

новешенного моста логометра

В приборах автоматического аналитического контроля часто бывает необходимо получить информацию о раз­ности двух сопротивлений Rt1 и Rt2. Для этого указанные сопро­тивления включают в прилегающие плечи неуравновешенного мос­та, сигнал которого в данном случае представится в виде Iд=k(Rt1-Rt2), где k— коэффициент преобразования.

Логометры магнитоэлектрической системы используются в комплекте с термопреобразователями сопротивления для измере­ния температуры.

Логометр со скрещенными рамками (рис. 41) состоит из двух жестко закрепленных между собой рамок 1 и 2, изготовленных из медных изолированных проволок сопротивлением r1 и r2. На общей оси рамок насажена стрелка прибора 3. В кольцевом воздушном зазоре между цилиндрическим сердечником из мягкой стали 4 и полюсными наконечниками вращаются активные стороны рамки. В отличие от милливольтметра воздушный зазор меж­ду сердечником и полюсными наконечниками неравномерен и по­тому магнитное поле здесь распределяется неравномерно. Так, воздушный зазор на оси х—х минимален и увеличивается по обе стороны от этой оси. В соответствии с этим магнитная индукция в центре максимальна и уменьшается примерно по квадратично­му закону по мере удаления от центра к краям полюсных нако­нечников. Таким образом, магнитная индукция В, пронизывающая активные стороны рамок, является функцией угла поворота ра­мок , т. е. . Токи I1 и I2, проходящие соответственно в рамках 1 и 2, направлены так, что возникающие в них моменты M1 и М2 направлены навстречу друг другу. Значение каждого из моментов может быть выражено зависимостями M₁=cI₁B₁ и M₂=cI₂B₂, где с —постоянный коэффициент, зависящий от геомет­рии рамок; В1 и B2 —магнитная индукция, пронизывающая рам­ки 1 и 2 соответственно.

Отличием логометра от милливольтметра является то, что здесь нет противодействующих повороту рамок пружин, а урав­новешивание момента, действующего в одной из рамок, происхо­дит за счет момента другой рамки. С целью исключения погреш­ности измерения токоподводы рамок выполняют безмоментным, например из тонкой золотой ленты, или маломоментными — из бронзовой проволоки малого диаметра.

Рассмотрим работу логометра. Пусть, например, при измене­нии сопротивления Rt увеличится ток I₁, что приведет к увеличе­нию момента M₁, который начнет поворачивать подвижную сис­тему против движения часовой стрелки. При этом окажется, что активные стороны рамки 1 будут перемещаться из поля большей магнитной напряженности в поля с меньшей напряженностью. Активные же стороны рамки 2, наоборот, из поля с меньшей маг­нитной напряженностью в поле с большей напряженностью. В процессе этого перемещения момент М1 будет уменьшаться, а М2 расти вследствие уменьшения В1 и роста В2. При некотором угле поворота подвижной системы наступит состояние равно­весия:

M₁=M₂ или cI₁B₁=cI₂B₂

откуда

или

Откуда следует, что угол поворота подвижной системы , или показание логометра, определяется отношением (по-гречески логус) двух токов, что объясняет название прибора — логометр.

Выражая каждый из токов I1 и I2 через напряжение питания контуров U и соответствующие сопротивления, имеем

Рис. 42 Схема логометра, включенного в мостовую схему

Рис. 43 Схема нормирующего токового преобразователя, работающего в комплекте с термопреобразователем сопротивления

В последнем уравнении величины r1,R1,r2,R2 — постоянные, по­этому в рассматриваемом случае логометр изме­ряет сопротивление Rt. В виду того что логометр непосредствен­но измеряет отношение двух токов, генерируемых от одного ис­точника, изменение напряжения его в определенных пределах не влияет на показания прибора. Это его преимущество. Так как рамки 1 и 2 выполнены из меди, то при изменении температуры окружающей среды сопротивления рамок изменяются, что отра­жается на показаниях прибора. Для уменьшения влияния темпе­ратуры последовательно с сопротивлениями r1 и r2 рамок вклю­чаются добавочные резисторы с сопротивлениями R1 и R2 выпол­ненные из манганина. Значения этих сопротивлений много больше, чем r1 и r2. Однако при этом условии вследствие уменьшения токов уменьшается чувствитель­ность логометра. Для увеличения чувствительности логометра и од­новременно уменьшения темпера­турного коэффициента прибора используют схему симметричного неравновесного моста, в диаго­наль которого включаются рамки логометра (рис. 42). Здесь со­противления резисторов симмет­ричных плеч попарно равны, т. е. R1=R2 и R3=Rt при значении Rt, соответствующем середине диапа­зона измерения по шкале; R5 — сопротивление для изменения пре­делов измерения; R4 —медное сопротивление для температур­ной компенсации; Rэ и Ry— соот­ветственно эквивалентное и урав­нительное сопротивления, служащие для подгонки сопротивления соединительной линии. Приведенная схема позволяет для логометров класса точности 1,5 иметь дополнительную погрешность не более ±0,75% от значения диапазона измерения на каждые 10°С изменения температуры окружающей среды в пределах от 5 до 50°С. Подключение измеряемого сопротивления Rt к логометру; можно осуществлять как по двухпроводной, так и при необходимости по трехпроводной схеме.

Логометры бывают показывающими, самопишущими, многоточечными и. кроме того, могут иметь встроенные устройства для сигнализации и регулирования. Классы точности промышленных логометров: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.

Нормирующие преобразователи. Для введения информации, получаемой с помощью термопреобразователя сопротивления, в ЭВМ или в систему автоматического регулирования используют­ся нормирующие токовые преобразователи, формирующие на сво­ем выходе сигнал постоян­ного тока 0—5 мА. Схема нормирующего токового пре­образователя, работающего в комплекте с термопреобра­зователем сопротивления, показана на рис. 43. Этот преобразователь по схеме и принципу действия аналоги­чен нормирующему преобра­зователю, работающему в комплекте с термоэлектриче­ским преобразователем. Отличие указан­ных схем заключается в том, что в преобразователе (рис. 43) вместо корректирую­щего моста КМ используется измери­тельный неравновесный мост ИМ, в одно из плеч которо­го по трехпроводной схеме подсоединен термопреоб­разователь сопротивления Rt. Остальные сопротивле­ния выполнены из мангани­на. Сопротивления Рл слу­жат для подгонки сопротивления соединительных проводов к номи­нальному значению. К диагонали питания моста ab подведено стабилизированное напряжение постоянного тока. Выходной ток преобразователя Iвых пропорционален напряжению Ucd в измери­тельной диагонали моста, и соотношение между ними может быть представлено:

Iвых=kUcd

Так как Ucd=k_mRt, где k_m— коэффициент преобразования мос­та, то

Iвых=kk_mRt

Таким образом, токовый сигнал нормирующего преобразова­теля пропорционален сопротивлению термопреобразователя сопро­тивления. Классы точности рассматриваемого преобразователя 0,6—1,5.

ЛЕКЦИЯ 10

План лекции:

1. Измерение уровня

1.1. Визуальные средства измерений уровня

1.2. Поплавковые средства измерений уровня

1.3. Гидростатические средства измерений уровня

Дата добавления: 2014-01-20