Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

Логометры — это магнитоэлектрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жесткоскрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом друг другу (в предельном случае в одной плоскости).

Угол поворота такой подвижной системы есть функция отношения токов в обеих рамках:

f = f(I1/ I2),

где I1, I2 - токи, протекающие по рамкам.

В определенных пределах колебания напряжения источника питания не влияют на показания прибора [1].

Таким образом, в логометре совмещены достоинства уравновешенных (независимость от колебаний напряжения источника питания) и неуравновешенных мостов (непосредственное измерение).

Рассмотрим схему логометра (рис.4). Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с эллиптическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконечниками расположен цилиндрический сердечник из мягкой стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок - R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерен. Поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее - у края), являясь функцией угла поворота от среднего положения.

К рамкам подводится ток от общего источника питания (сухой батареи). В рамку R1 ток поступает через постоянное сопротивление R, в рамку R2— через сопротивление термометра Rt. Направление токов I1 и I2 таково, что вращающие моменты рамок оказываются направленными навстречу один другому и соответственно равны:

M1 = c1B1I1;   M2 = с2B2I2,

где с1 и с2 - постоянные, зависящие от геометрических размеров и числа витков рамок; B1 и В2 — магнитные индукции в зоне расположения рамок [1].

Если сопротивление рамок одинаково и R = Rt, то I1 = I2, т. е. вращающие моменты рамок равны. При этом подвижная система находится в среднем положении.

 

Принцип действия логометра. При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения), через одну из рамок потечет ток большей величины, равенство моментов нарушится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего момента. При вращении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей величины, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. Наоборот, другая рамка входит в зазор с большой магнитной индукцией, и ее момент увеличивается. Вращение рамок продолжается до тех пор, пока их вращающие моменты станут снова равными.

Для рамок одинаковой конструкции из соотношения М1=М2 получим:

.

При изменении Rt изменяется отношение I1/I2. Рамки вращаются до тех пор, пока  при новом положении рамок отношение В2/В1 не сравняется с соотношением I1/I2.

Уравновешенные мосты (рис. 5). Мост состоит из двух постоянных сопротивлений R1 и R3, сопротивления R2 (реохорда) и сопротивления термометра Rt. Сопротивления двух соединительных проводов 2Rnp прибавляются к сопротивлению Rt. В одну диагональ моста включен источник постоянного тока (сухая батарея), а в другую — нуль-прибор [1].

При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по реохорду, ток в диагонали моста Iо = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания I разветвляется в вершине моста на две ветви R1 и R3, падение напряжения на сопротивлениях R1 и R3 одинаково:

R1I1 = R3I3.  (1)

Падения напряжения на плечах моста be и cd также равны:

I2R2 = It(Rt + 2Rnp). (2)

Разделив равенство (1) на равенство (2), получим

   .        (3)

При Iо = 0, Ii = I2 и Iз = It уравнение (3) примет вид

R1 (Rt + 2Rпр) = R2R3.

Сопротивление термометра будет составлять:

 

 

 

Если считать, что температура окружающей среды не изменяется, то 2Rпp будет постоянным. Тогда уравнение (4) примет вид

 

При изменении сопротивления Rt мост можно уравновесить изменением величины сопротивления реохорда R2.

Это была так называемая двухпроводная схема включения ТС в измерительный мост.

Преимущества трехпроводной схемы одсоединения термопреобразователя сопротивления

В тех случаях, когда колебания температуры среды, в которой находятся соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения термометра (рис.6). При таком присоединении сопротивление одного провода Rnp прибавляется к сопротивлению Rt,сопротивление второго провода - к переменному сопротивлению R2 [1].

Уравнение равновесия моста принимает вид

 

Rt + Rпр = (R2 + Rпр)* (R3/R1).

В случае симметричного моста (R1 =  R3,) получим:

Rt +Rпр = R2 + Rпр,  т.е. Rt=R2.

Таким образом нет необходимости при изменении температуры в помещении учитывать изменение Rпр.

Автоматические уравновешенные мосты. В автоматических электронных уравновешенный мостах движок реохорда перемещается не вручную, а автоматически. Измерительная схема таких мостов питается как постоянным, так и переменным током. В автоматических мостах переменного тока решающее значение имеют активные сопротивления, поэтому выведенные выше соотношения для мостов постоянного тока сохраняются и для автоматических мостов переменного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питается от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника питания (сухого элемента) и отпадает необходимость в применении вибрационного преобразователя. [1].

Существуют различные модификации автоматических уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная схема электронного автоматического уравновешенного моста на переменном токе (рис. 7). Постоянные сопротивления R1, R2, R3 и R4 измерительной схемы выполнены из манганина, а реохорд Rp — из манганина или специального сплава. Измерительная схема питается переменным током напряжения 6,3 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжение разбаланса на вершинах моста а и Ь подается на вход электронного усилителя. В нем оно усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя РД. Этот двигатель, вращаясь в ту или другую сторону (в зависимости от знака разбаланса), через систему передач перемещает движок реохорда, уравновешивая измерительную схему моста, а также перемещает показывающую стрелку. Если мост находится в равновесии, то реверсивный двигатель не вращается, так как напряжение на вход электронного усилителя не подается.

Серийно изготовляемые электронные автоматические уравновешенные мосты могут быть использованы для измерения температуры полупроводниковыми термосопротивлениями. В связи с большой разницей в характеристиках металлических термометров сопротивления и полупроводниковых термосопротивлений измерительную схему моста следует рассчитать.

Неуравновешенные мосты. Возможность непосредственного отсчета температуры - преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мостом. На принципиальной схеме неуравновешенного моста (рис. 8) в которой R1, R2 и R3 - постоянные сопротивления плеч моста; R - реостат; RK - контрольное сопротивление; Rt - сопротивление термометра; Iм - сила тока, протекающего по рамке милливольтметра [1].

Для контроля разности потенциалов в схему моста параллельно термометру включается манганиновое контрольное сопротивление Rк, равное сопротивлению термометра при определенной температуре, отмеченной красной чертой на шкале милливольтметра [1].

Для контроля разности потенциалов Uab переключатель ставят в положение 2 и с помощью реостата R устанавливают стрелку милливольтметра точно на красной черте. После этого переключатель ставят в положение 1 и по шкале снимают отсчет, соответствующий температуре термометра.

Неуравновешенные мосты питаются от батареи или от сети (через трансформатор и выпрямитель). Показания неуравновешенных мостов зависят от напряжения Uab,, поэтому они не используются для промышленных измерений. Эти мосты используются иногда в лабораторной практике, а также в измерительных схемах других приборов

В технике обычно применяют приборы, с помощью которых измерения производят лишь с определенной заранее заданной и установленной ГОСТом допустимой основной (при нормальных условиях) приведенной относительной погрешностью. По ее величине измерительные приборы делят на классы точности 0,05 — 4,0. Промышленные логометры и автоматические уравновешенные мосты  в большинстве случаев выпускаются с классами точности 0,5; 1,0; 1,5. Например, прибор класса 1,5 имеет максимально допустимую основную приведенную относительную погрешность ±1,5%. Класс точности прибора обычно указывают на его шкале.

5.2 Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры делятся на переносные и стационарные, а потенциометры — на лабораторные, переносные и автоматические. Милливольтметры – это магнитоэлектрические приборы: их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток магнитного поля постоянного магнита [1].

Принцип потенциометрического метода измерения  основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТДЭС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

а.Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

 Магнитная система милливольтметра (рис. 2) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. В воздушном кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного (реже алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создаётся спиральными пружинами, которые одновременно служат и для подвода тока от термоэлектрического преобразователя к рамке [1].

В более точных, а также в регистрирующих приборах рамка подвешивается на тонких металлических лентах (рис. 3), которые создают противодействующий момент и одновременно служат для подвода тока. С помощью грузиков подвижная система уравновешивается так, чтобы центр ее тяжести находился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку [1]. Вращающий момент, создаваемый этими силами, равен:

Мφ = k2Eφ,   или   Мφ = k2Gφ,

где k2 — постоянный множитель, зависящий от геометрических размеров упругой детали; Е — модуль продольной упругости  (при уравновешивании упругой спиральной пружиной); G — модуль сдвига (при уравновешивании закручиванием ленточного подвеса).

Изменения В и Е при изменении температуры окружающей среды не влияют на показания милливольтметра, так как обе величины изменяются почти одинаково. Тогда зависимость угла поворота рамки от величины тока может быть выражена приближенной формулой Ф~СI, из которой следует, что шкала милливольтметра равномерна и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы.

В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает вариацию в показаниях прибора. Погрешности вызываются также неуравновешенностью подвижной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вращения. Неотбалансированный прибор имеет непрямолинейную зависимость угла отклонения от величины тока.

Отечественная приборостроительная промышленность выпускает показывающие милливольтметры с различными пределами измерений.

б. Свойства, исключающие, влияние колебаний температуры свободного спая термопары на показании милливольтметра, электронного потенциометра