Теоретические сведения. Комплект технических средств для измерения температуры состоит из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары) и вторичного прибора

Комплект технических средств для измерения температуры состоит из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары) и вторичного прибора. Измерение температуры осуществляется косвенным методом – путем измерения с помощью вторичного прибора термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термопары, однозначно зависящей от разности температур рабочего (горячего) спая термопары и ее свободных концов. Эта зависимость (статическая характеристика термопары) стандартизована для температуры свободных концов, равной 0 ⁰С. При температуре свободных концов Т ⁰С величина ЭДС термопары Е_Т(t) отличается от стандартной на постоянную величину Е₀ (Т) и вычисляется по формуле

Е_Т(t) = Е₀(t) – Е₀(Т), (3.1)

где Е_Т(t) – ЭДС термопары при температуре рабочего спая t °С и температуре свободных концов соответственно Т °С;

Е₀(t) – ЭДС термопары при при температуре рабочего спая t °С и температуре свободных концов 0 °С;

Е₀(Т) – ЭДС термопары при температуре рабочего спая Т °С и температуре свободных концов 0 °С.

По формуле (3.1) характеристика термопары может быть пересчитана для любой температуры свободных концов термопары.

В качестве вторичных приборов для измерения термоЭДС применяются милливольтметры и автоматические потенциометры. Шкалы вторичных приборов, предназначенных для работы с термопарами, градуированы в единицах температуры. Так как зависимости термоЭДС Е₀(t) от температуры у различных типов термопар отличаются друг от друга, на шкале конкретного прибора указывается тип термопары, для которой проградуирована шкала данного прибора: ХК – хромель-копелевая термопара, ХА – хромель-алюмелевая и т.д. Термопары других марок в комплекте с данным прибором не могут применяться без градуировки его шкалы.

Следует помнить, что градуировка шкалы приборов может быть произведена и при температуре свободных концов термопары, отличной от 0 ⁰С. В современных автоматических потенциометрах, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена автоматическая компенсация измерения действительной температуры свободных концов термопары для исключения возникающей при этом ошибки измерения температуры.

В основу работы потенциометра положен компенсационный метод измерения, заключающийся в уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным падением напряжения. Принципиальная схема измерения ЭДС термопреобразователя компенсационным методом показана на рисунке 3.1. Схема содержит: Б – батарею; R – реостат; R_р – калиброванный реохорд; НГ – нуль-гальванометр; Т – термоэлектрический преобразователь (термопару); НЭ – нормальный элемент Вестона; R_K – контрольное сопротивление; П – переключатель.

Простейшая потенциометрическая схема состоит из трёх взаимосвязанных электрических цепей – рабочей, измерительной и контрольной. В рабочей цепи под действием ЭДС батареи Б протекает ток I_р, величина которого определяется по закону Ома суммой трёх сопротивлений – реостата R, сопротивления R_K и сопротивления реохорда R_р.

Измерения будут производиться с минимальной погрешностью лишь при условии постоянства тока I_Р. Поскольку ЭДС батареи изменяется с течением времени вследствие необратимости протекающих в ней при разрядке электрохимических процессов, то и ток в рабочей цепи будет изменяться. Поэтому перед началом работы необходимо установить определенное значение рабочего тока I_р. Установка рабочего тока производится с помощью контрольной цепи. Для этого переключатель П ставится в положение К (контроль), при этом термопара Т отключается от схемы, а нормальный элемент НЭ подключается так, что его напряжение сравнивается с падением напряжением на контрольном сопротивлении R_К. Если Е_НЭ =I_РR_K , то в ток через нуль-гальванометр протекать не будет и его стрелка должна находиться на нулевой отметке. Это соответствует правильно установленному значению рабочего тока I_Р. Если Е_НЭ I_РR_K,через нуль-гальванометр будет протекать ток и его стрелка будет находиться не на нулевой отметке. Тогда сопротивление R изменяется до тех пор, пока нуль-гальванометр НП не покажет отсутствие тока.

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема измерения термоЭДС

После установки рабочего тока переключатель П переводится в положение И для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой Т. При постоянстве тока I_р реохорд может рассматриваться как известный источник напряжения, величина которого определяется положением движка, а полярность – направлением тока в рабочей ветви. К реохорду встречно, через нуль-гальванометр НГ, подключён термопреобразователь Т с неизвестным значением термоЭДС. В случае неравенства Е_Х и падения напряжения U_АД на участке реохорда АД в измерительной цепи возникает напряжение разбаланса, наличие которого определяется по отклонению стрелки нуль-гальванометра. При перемещении движка реохорда в направлении, соответствующем уменьшению напряжения разбаланса, в момент равенства Е_Х = U_АД стрелка нуль-гальванометра установится на нулевой отметке, т.е. ток в измерительной цепи будет равен нулю, и по шкале калиброванного реохорда можно определить величину падения напряжения, а следовательно, и неизвестную ЭДС.

Компенсационные измерительные схемы широко применяют в технологическом контроле в связи с высокой точностью измерения и возможностью автоматизации процесса уравновешивания схемы.

Принцип действия милливольтметров основан на взаимодействии проводника (рамки), по которому протекает электрический ток, и магнитного поля постоянного магнита. Рамка 1 (рисунок 3.2), выполненная из нескольких сотен последовательных витков тонкой изолированной проволоки (медной, алюминиевой), помещается в магнитное поле постоянного магнита 3. При этом рамка имеет возможность поворачиваться на некоторый угол, для чего она крепится с помощью специальных кернов и подпятников или подвешивается на растяжках или подвесах (на рисунке не показаны). Для формирования равномерного радиального магнитного потока служит цилиндрический сердечник 4. При прохождении тока по рамке возникают силы F₁ и F₂, направленные в разные стороны и стремящиеся повернуть рамку вокруг оси.

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема измерения термоЭДС
с помощью милливольтметра

Противодействующий момент создается спиральными пружинами 2 (нижняя не показана), которые также служат для подвода термоЭДС к рамке. В некоторых типах милливольтметров рамка крепится с помощью двух вертикальных тонких ленточных растяжек (подвесов) из фосфористой бронзы, которые, как и спиральные пружинки, служат для создания противодействующего момента и для подвода тока к рамке. При постоянной термоЭДС угол поворота рамки прибора обратно пропорционален сопротивлению цепи, т. е. зависит от длины соединительных проводов и температуры окружающей среды.