Материал: Metodichka_-_Most_i_potentsiometr

7 3.2. Потенциометры

Автоматические электронные потенциометры (рис. 6) предназначены для измерения температуры в производственных условиях и работают в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (термопарами) или с любыми другими датчиками, дающими на выходе постоянное напряжение. Измерение температуры потенциометром в комплекте с термопарой осуществляется так называемым компенсационным методом, сущность которого состоит в уравновешивании неизвестной термоЭДС (Е_х) термопары и известного падения напряжения U_AB на определенном участке рабочей цепи от точки А до точки В.

Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (питающая диагональ), а в другую (измерительную диагональ) - термопара с ТЭДС Е_х, электронный усилитель электродвигателя УЭД и электродвигатель ЭД. В вершине А моста находится реохорд R_р, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка, в свою очередь, управляет электродвигатель.

Рис. 6. Измерительная схема автоматического потенциометра

Обозначения сопротивлений на схеме (рис. 6):

R_p - сопротивление реохорда,

R_ш – сопротивление шунта,

R_п - сопротивление для задания пределов измерения,

R_н и R_к - для задания начала и конца шкалы,

R_б - балластное,

R_с - для поверки рабочего тока,

R_м - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев.

8

Автоматическая компенсация осуществляется системой, основной частью которой является электронный усилитель УЭД. Напряжение небаланса U = E_x – U_AB, подаваемое на его вход, усиливается усилителем до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД, направление вращения которого зависит от знака небаланса U.

Если

E

(2)

_x = U_AB, U = 0,

то электродвигатель ЭД не работает и движок реохорда А не движется. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е_х изменится, то появляется небаланс U. Усилитель, усилив напряжение U, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда до тех пор, пока напряжение на УЭД снова не станет равно нулю.

Мостовая схема потенциометра работает в неравновесном режиме, т.е. при U_AB  0. Каждому новому значению соответствует новое положение движка реохорда R_p, а следовательно, и новое U_AB.

Классы точности потенциометров типа КСП: 0,25 и 0,5.

Потенциометры работают в комплекте с одной или несколькими термопарами стандартных градуировок. Тип термопары (градуировка) указывается на шкале прибора.

Для вех стандартных потенциометров независимо от их градуировки

R_p = 126 Ом, R_cp = R_р R_ш / (R_р + R_ш) = 90  0,1 Ом, I = I₁ + I₂ = 5 А,

где R_ср – сопротивление стандартного реохорда;

I₁ и I₂ – токи в плечах моста;

I – ток, текущий через питающую диагональ.

Вследствие параллельности соединения R_ср и R_п сопротивление эквивалентного реохорда R_э определяется как

(3)

.

С другой стороны,

R

(4)

_э = ,

где Е_п = Е_к – Е_н, мВ, Е_к и Е_н – соответственно термоЭДС термопары для конечной и начальной измеряемых температур. Отсюда можно получить:

(5)

(6)

С учетом принятых на схеме обозначений уравнение равновесия (2), согласно второму закону Кирхгофа для начальной температуры, т.е. когда Е_х = Е_н, примет следующий вид:

I₁ R_н – I₂ R_м = Е_н,

а для произвольной температуры (произвольной термоЭДС Е_х или Е_н + Е_х =

= Е_х):

I

(7)

9

₁ (R_н + R_э) – I₂ R_м = Е_н + Е_х,

где R_э – приращение сопротивления эквивалентного реохорда, падение напряжения на котором обеспечивает компенсацию Е_х.

Из уравнения (6) видно, что если определено R_м, то можно рассчитать сопротивление начала шкалы:

(8)

.

ТермоЭДС термопары, как известно, определяется не только температурой рабочего спая, помещенного в объект измерения, но также и температурой свободных концов, которые находятся, как правило, при температуре окружающей среды. Если температура окружающей среды будет изменяться, то необходимо в результат измерения внести поправку, т.к. градуировочные зависимости Е_х = f(t) определяются при температуре свободных концов, равной нулю по шкале Цельсия. Мостовая измерительная схема потенциометра позволяет с помощью медного или никелевого сопротивления R_м автоматически вводить поправку на температуру свободных концов.

Резистор R_м имеет высокий температурный коэффициент сопротивления  (_Ni = 6,1*10^-3 K^-1; _Cu = 4,2*10^-3 K^-1), в то время как другие резисторы выполнены из манганина с низким  (_{манганина} = 1,2*10^-5 К^-1), что позволяет практически полностью исключить влияние температуры окружающей среды на номинальные значения этих сопротивлений.

(9)

Если температура окружающей среды увеличится, то сопротивление R_м возрастает на R_м, а термоЭДС термопары уменьшится на Е_t и уравнение (7) примет вид:

I₁ (R_м + R_э) – I₂ (R_м^о + R_м)= Е_н + Е_х - Е_t.

Чтобы равенство (7) не нарушалось, другими словами, чтобы показания потенциометра не изменились с изменением температуры окружающей среды, то, как видно из уравнения (9), необходимо выполнить условия (10) и (11):

I

(10)

₂ R_м = Е_t,



(11)

R_м = R_м^о  (t’_o – t_o),

где R_м^о – сопротивление при температуре градуировки t_o.

В расчетах принимают t_o = 20 С и t’_o = 80 С.

Следовательно, решая совместно уравнения (10) и (11), получим:

(12)

.

По падению напряжения на сопротивлении R_с определяют величину R_с, принимая I₂ = 2 мА. Тогда

(13)

,

где U_нэ = 1,0196 В.

10

Для определения R_к запишем условие равновесия для конца шкалы:

-

(14)

I₁ R_к + I₂ R_c = E_к.

Откуда

(15)

.

Балластное сопротивление R_б для ограничения тока питания найдем по формуле

(16)

,

где U_п – напряжение на выходе ИПС.

(17)

Правильность расчета потенциометра можно проверить по уравнению

U_AB = I₁ (R_н + R_э + R_к) – I₂ (R_c + R_м).

Компенсационный метод измерения термоЭДС является одним из наиболее точных, т.к., во-первых, в момент измерения ток в измерительной цепи равен нулю, а следовательно, отсутствуют погрешности за счет дополнительных падений напряжения в подводящих проводах, и, во-вторых, само отсутствие тока в цепи может быть установлено с более высокой точностью, чем его конечные значения в определенном интервале изменений.

3.3. Термопреобразователи сопротивлений и их характеристики

Принцип действия термопреобразователя сопротивления (ТС) основан на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры.

К металлам, применяемым для изготовления ТС, предъявляют следующие требования:

1) металл не должен вступать во взаимодействие с измеряемой средой;

2) температурный коэффициент электрического сопротивления должен быть большим и постоянным, он определяется соотношением

(18)

,

где R₀ и R₁₀₀ – сопротивления ТС при 0 С и 100 С.

3) необходима хорошая воспроизводимость градуировочной характеристики.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют платина и медь.

Промышленность выпускает два вида ТС, отличающихся материалом чувствительного элемента: платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Каждый из видов ТС имеет свои градуировки, которым соответствуют определенные значения сопротивления R₀ при 0 0 С (табл. 3).

Зависимость сопротивлений ТСП и ТСМ от температуры близка к линейной. Определяющими свойствами ТС являются: класс точности и инерционность.

11

Класс точности определяется пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими влияющими на точность измерения свойствами, значения которых устанавливаются стандартом.

Таблица 3

Вид ТС	Градуировка	R0, Ом	Предел измерения, С
ТСП ТСП ТСП ТСМ ТСМ	20 21 (прил.1) 22 23 24	10 46 100 53 100	200…650 200…650 200…650 50…180 50…180

В ТСП класса I допустимые отклонения значений сопротивления при 0 С от номинальных составляют 0,05 %, а в ТСП класса II  0,1 %. В ТСМ классов II и III  0,01 %.

Инерционность характеризуется показателем тепловой инерции ТС. Показатель тепловой инерции ТС представляет собой время, необходимое для того, чтобы при внесении ТС в среду с постоянной температурой разность температуры среды и любой точки ТС составила 0,37 значения температуры среды. Показатель тепловой инерции ТС, определенный при коэффициенте теплоотдачи, равном бесконечности, не должен превышать следующих значений:

- для ТС с большой инерционностью - 4 мин,

- для ТС со средней инерционностью - 1,3 мин,

- для малоинерционных ТС - 9 сек.

ТСП выпускают двух модификаций: одинарные и двойные, ТСМ бывают только одинарные.

Для измерения температуры, особенно в среднем диапазоне, широко распространены ТС полупроводниковые. Их рабочий диапазон определяется следующим образом: нижний предел должен соответствовать температуре, при котором полупроводник становится изолятором, а верхний – так называемой допустимой температуре, выше которой в полупроводнике происходят необратимые изменения.

Существенный недостаток полупроводниковых материалов – отсутствие требуемой воспроизводимости градуировочной характеристики, поэтому полупроводниковые ТС даже одного и того же типа невзаимозаменяемы и дают индивидуальные градуировки.