Метрологические характеристики логометров и мостов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метрологические характеристики логометров и мостов

1. Термопреобразователи сопротивлений

Измерение температуры ТС основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Вследствие различного механизма проводимости металлы имеют положительный термический коэффициент сопротивления, а полупроводники, в основном, - отрицательный. Чувствительный элемент металлического ТС состоит из тонкой (около 0,05мм) проволоки, бифилярно намотанной на каркас и помещенной в металлический защитный чехол с головкой для подключения соединительных проводов. Такие термометры используются как рабочие и эталонные средства измерений. В последнее время широкое распространение получили ЧЭ, представляющие собой ЧИП - резисторы. В них металл напыляется очень тонким слоем и поэтому сопротивление при 00С может быть достаточно высоким - до 10 кОм, что увеличивает их чувствительность. Однако максимальная измеряемая температура таких ЧЭ, в основном, 150-300 0С (редко 500).

Для измерения температур используются ТС из металлов, обладающих высокостабильным температурным коэффициентом сопротивления, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействию окружающей среды. Таким требованиям в наибольшей степени удовлетворяют платина и медь. Сопротивление платиновых ТС в диапазоне температур от 0 до +750 °С выражается соотношением:

, (1)

где - сопротивление ТС при 0°С; t - измеряемая температура, °С; А и В - коэффициенты, которые зависят то типа номинальной статической характеристики (НСХ):

А = 3,9684710-3 1/К, В = -5,84710-7 - для градуировки ,

А = 3,9080210-3 1/К, В = - 5,80210-7 - для градуировки Pt.

При расчете сопротивления медных ТС в диапазоне температур от -50 до +180 °С можно пользоваться формулой:

, (2)

где = 4,26(4,28)103 1/К.

Медные ТС используются при температурах до 200°С, т.к. при более высоких температурах начинается интенсивное окисление меди.

Ток, протекающий через ТС, не должен вызывать его дополнительного разогрева и составляет, как правило, 1 mA.

Чувствительность ТС зависит от и .

Технические характеристики промышленных ТС, выпускающихся по ГОСТ 6651 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Эталонные термометры имеют R0 = 10 Ом

Полупроводниковые ТС имеют нелинейную статическую характеристику, которая приближенно описывается зависимостью:

(3)

Диапазон измерений составляет от -100 до +400°С. Преимуществом полупроводниковых ТС является высокая чувствительность, т. к. R0 может достигать десятков кОм.

Диапазон измерений полупроводниковых ТС с положительным температурным коэффициентом (позисторов) составляет 0-200°С.

2. Логометры

Используются для работы в комплекте с ТС. Подвижная система прибора (рис. 1).представляет собой две жестко скрепленные между собой под острым углом рамки с сопротивлениями r1 и r2, свободно поворачивающиеся в подпятниках.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рамки движутся в зазоре между сердечником и полюсами N и S постоянного магнита. Этот зазор имеет переменное сечение, которое увеличивается от центра (ось 00) к краям. В результате этого магнитная индукция в зазоре соответственно от центра краям уменьшается. Для увеличения чувствительности рамки включены в мостовую электрическую схему таким образом, чтобы их вращающие моменты М1 и М2 были направлены навстречу друг другу. Кроме того, номиналы элементов моста подбираются таким образом, чтобы мост был уравновешен при сопротивлении ТС, соответствующем середине шкалы. Таким образом, ток, протекающий по рамкам, определяется падением напряжения на соответствующем плече моста (са или cb) и током разбаланса Iн, протекающим в измерительной диагонали.

Пусть мост уравновешен (измеряемая температура соответствует середине шкалы). При увеличении измеряемой температуры увеличится сопротивление термометра Rt. При этом падение напряжения uad увеличится, а падение напряжения uac соответственно уменьшится. Следовательно, уменьшится составляющая тока i1ас, протекающего по первой рамке, обусловленная uac. В то же время потенциал точки a станет выше потенциала точки b, что приведет к появлению тока небаланса Iн. Направление этого тока противоположно направлению i1ас, и совпадает с направлением i2сb. В результате ток i1 еще больше уменьшится, а ток i2 - увеличится.

Следовательно, увеличится момент:

, (4)

который станет больше момента

. (5)

Появится разность моментов:

(6)

где K1 и K2 - конструктивные постоянные.

Под действием разности моментов подвижная система начнёт поворачиваться по часовой стрелке. При этом первая рамка будет двигаться в зазор с большей магнитной индукцией, и момент М1 начнет увеличиваться. Вторая рамка попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, и момент М2 уменьшается. При некотором положении рамок М1 снова станет равным М2. Наступит равновесие подвижной системы, определяемое отношением токов:

термопреобразователь сопротивление логометр мост

(7)

или

, (8)

где - угол поворота рамок.

После ряда преобразований можно показать, что = f(Rt). Поэтому показания логометра не зависят от напряжения питания при его колебании в пределах +20% от номинального.

Для уменьшения влияния температуры на соединительные провода ТС подключаются по 3-х-проводной схеме. Сопротивление R5 предназначено для установки пределов измерения, R6 - медное сопротивление для компенсации влияния температуры окружающей среды на рамки логометра. В отличие от уравновешенных мостов у Rnp логометров для двух- и трехпроводной схемы внешнее сопротивление Rпр стандартизируется. Обычно для первой схемы:

Rnp = 2,5 + 0,01 Ом и Rnp = 7,5 + 0,03 Ом,

а для второй схемы:

Rnp= 5 + 0,02 Ом и Rnp= 15 + 0,06 Ом.

Значения Rnp указываются на шкале и в паспорте прибора.

Современные логометры выпускаются следующих типов: Ш69001, Ш69006, Л-64 и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Уравновешенные мосты

В большинстве случаев в комплекте с ТС работают уравновешенные мосты постоянного или переменного тока. Упрощенная электрическая схема показана на рис. 2.

Мост состоит из двух постоянных сопротивлений и , реохорда RP и сопротивления термометра . Сопротивления соединительных проводов прибавляются к сопротивлению . В одну диагональ моста включен источник питания, а в другую - нуль-прибор РА. При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по реохорду Rp, ток в измерительной диагонали моста I0 = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется в вершине моста a на две ветви I1 и I2, падение напряжения на резисторах R1 и R2 одинаково, т.е.:

(9)

Падения напряжений на плечах моста bc и dc также равны:

(10)

Разделив (4) на (5), получим:

(11)

Если I0 = 0 то I1 = Ip и I2 = It. Тогда из уравнения (11), получим:

(12)

Уравнение (12) выражает условие равновесия моста: произведение сопротивлений противоположных плеч равны. Под Rp* понимается величина сопротивления незашунтированной части реохорда Rp.

Из (12) следует, что:

(13)

Если R2 = Rl, получим:

(14)

Размещено на http://www.allbest.ru/

При изменении сопротивления Rt, равновесие моста нарушается и его можно восстановить путём изменения величины сопротивления реохорда Rр*. При этом положение движка реохорда будет соответствовать измеряемой температуре и её определяют по шкале прибора Шк. Это справедливо, если колебания температуры среды, в которой расположены соединительные провода с сопротивлением 2Rnp, не существенны. В тех случаях, когда изменения температуры в зоне соединительных проводов могут быть значительными и погрешность измерения может превысить допустимую величину, применяют трёхпроводную систему подключения ТС. В этой схеме (рис. 3) провод от источника питания отсоединяется от точки с моста и подключается к точке с', разделяя провода с сопротивлением Rnp в смежные плечи. При таком соединении сопротивление одного провода прибавляется к терморезистору, а второго - к Rp.

Уравнение (7) примет вид:

(15)

или (при R1 = R2),

, (16)

т.е. изменение величины Rt под действием измеряемой температуры будет однозначно определяться изменением положения подвижного контакта реохорда.

4. Автоматические электронные мосты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципиальная схема автоматического уравновешенного электронного моста приведена на рис. 4.

Все сопротивления измерительной схемы (кроме термометра Rt) выполнены из манганина (сплав, сопротивление которого не зависит от температуры). Измерительная схема представляет собой четырехплечий мост, в одно из плеч которого включен Rt. В одну диагональ моста подводится переменное напряжение, в другую - включен электронный усилитель У. Rн - добавочный резистор для подгонки тока, протекающего через термометр; Rn- подгоночный резистор реохорда; Rm - шунт реохорда, Rр - реохорд; R0 - резистор для подгонки тока из условия минимального самонагрева ТС.

Наименее надежным элементом схемы является подвижный контакт реохорда, сопротивление которого может изменяться вследствие истирания, загрязнения и т. д. При указанном на схеме способе включения реохорда переходное сопротивление контакта располагается в измерительной диагонали и в момент равновесия из-за отсутствия тока, не сказывается на результате измерения. Положение движка реохорда зависит от величины Rt следующим образом:

(17)

где m - относительное положение движка.

Однако в этом случае не удаётся полностью компенсировать влияние температуры окружающей среды на соединительные провода. Кроме того, шунтирование Rp сопротивлениями Rm и Rn с целью получения требуемого диапазона измерения, делает (17) нелинейной. Уменьшение нелинейности достигается введением в схему дополнительного реохорда Rp". Одновременно с перемещением подвижного контакта реохорда перемещается каретка с указателем вдоль шкалы, так, что каждому положению контакта соответствует определенное положение указателя на шкале. В качестве нуль-прибора в автоматическом мосте используется электронный усилитель У и реверсивный двигатель РД. При изменении температуры изменяется сопротивление Rt, равновесие моста нарушается и на диагонали моста ab возникает напряжение разбаланса, которое подается на вход электронного усилителя. Фаза этого напряжения зависит от того, уменьшилось или увеличилось сопротивление Rt. Сигнал разбаланса усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Двигатель кинематически связан с кареткой и с подвижным контактом реохорда Rp. Движение контакта реохорда происходит до тех пор, пока измерительная схема не придет в равновесие, т. е. Uab не станет равным нулю. Двигатель РД останавливается, а подвижной контакт реохорда и каретка с указателем занимают положение, соответствующее измеряемой температуре.

Многоточечный автоматический мост снабжен переключателем, с помощью которого к измерительной схеме подключаются поочередно все присоединенные к прибору термопреобразователи сопротивлений. Назначение остальных резисторов измерительной схемы следующее.

Литература

1. Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 528 с., ил.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 440 с., ил.

Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

4. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.

5. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.

Размещено на Allbest.ru