3.3. Компенсационный метод измерения температуры

Измерение температуры термоэлектрическим термометром, у которого вторичным прибором является милливольтметр, в большинстве случаев не обеспечивает достаточно высокой точности из-за ряда погрешностей. Класс точности таких термометров от 1,6 до 2,5. Основной причиной невысокой точности является влияние колебаний температуры окружающей среды на внутренние и внешние сопротивления милливольтметра и внешней термоэлектрической цепи, механический износ и влияние таких внешних факторов, как вибрация, магнитные поля и т.д.

Это исключается при измерении ТЭДС компенсационным (нулевым) методом, при котором вместо пирометрического милливольтметра применяется потенциометр. Кроме того, применение потенциометра позволяет легко осуществить автоматическое введение поправки на изменение температуры свободных концов термопары без применения специальных компенсационных коробок.

Компенсационный метод, основанный на уравновешивании неизвестного сигнала ТП известным равным ей по величине, но обратным по знаку напряжением от вспомогательного источника тока, которое затем измеряется с большой точностью. Основными преимуществами компенсационного метода измерения ТЭДС являются:

1. отсутствие тока в цепи термометра в момент измерения;

2. исключение операции измерения величины тока, а нуль-прибор лишь показывает, что ток отсутствует, что способствует более точному измерению.

Поэтому исключается погрешность, связанная с влиянием температуры окружающей среды на сопротивление внешней цепи. В промышленности повсеместное применение получили неавтоматические (переносные образцовые, лабораторные) и автоматические потенциометры.

3.3.1. П р и н ц и п р а б о т ы п о т е н ц и о м е т р о в с р у ч н о й н а в о д к о й

В переносных и лабораторных потенциометрах компенсация сигнала ТЭДС производится оператором вручную. Данные устройства нашли широ-

кое распространение и обеспечивают более высокую точность измерения, чем автоматические.

На рис. 3.5. показана принципиальная схема потенциометра с термопарой. Прибор состоит из трех смежных электрических контуров. Контур I образует измерительную цепь, в которую включены: источник постоянного тока Б, регулировочный резистор (реостат) R, установочный резистор R_У, измерительный резистор (реохорд) R_Р и кнопка К. Контур II представляет собой цепь нормального элемента НЭ, а контур III –цепь термопары Т. Переключатель П обеспечивает включение гальванометра Г (еще он называется нуль – прибор НП) либо в контур нормального элемента, либо в контур термопары.

Целью включения в схему нормального гальванического элемента НЭ, является стандартизация величины компенсирующего (рабочего) тока батареи Б. Необходимое изменение данной величины производится с помощью сопротивления R. Установочный резистор R_У изготавливается из манганина и имеет постоянную и точно известную величину. Нулевой гальвано-метр Г представляет собой чувствительный миллиамперметр с нулем по середине шкалы прибора. В зависимости от направления тока стрелка его отклоняется влево или вправо от нуля.

Измерение температуры с помощью потенциометра производится следующим образом. Устанавливая переключатель П в положение 1, замыкают цепь контура 2 нормального элемента. Затем нажатием на кнопку

К замыкают цепь измерительного контура I и реостатом R регулируют силу рабочего тока до тех пор, пока стрелка гальванометра Г не встанет на нуль шкалы. Отсутствие тока в контуре II наступит в тот момент, когда величина ЭДС нормального элемента E_НЭ будет компенсирована обратным ей по знаку падением напряжения U_ab на установочном резисторе R_У (на участке цепи ab), то есть E_НЭ = U_ab. В этом случае рабочий ток I в измери-тельной цепи будет равен

I = E_НЭ / R_У = const (3.5)

После того как в измерительной цепи потенциометра установлена постоянная и точно известная сила тока I, размыкают кнопку К и переводят переключатель П в положение 2, в результате чего к измерительному контуру I вместо контура II подключается контур термопары III. Вновь замыкают кнопкой К измерительную цепь и при помощи скользящего по реохорду R_Р контакта (движка) с изменяют сопротивление R΄_Р участка реохорда bс до момента установки стрелки гальванометра Г на нуль шкалы. Указанное положение движка с характеризует состояние электрического равновесия прибора, при котором ток в цепи термопары Т отсутствует, так

как развиваемая последней ТЭДС E_{AB(t, to)} компенсируется равным ей по величине и обратным по знаку падением напряжения на участке реохорда bc, то есть E_{AB(t, to)} = U_bc =I R΄_P = I n R_p (где п – относительная величина участка bс реохорда).

При полной компенсации ТЭДС термопары получим равенство

E_{AB(t, to)} = I·R΄_P,

или, заменяя I по уравнению (3.5), будем иметь:

E_{AB(t, to)} =( E_НЭ / R_У) · R΄_P = k п R_p…………..(3.6)

где k = const.

Рис. 3.5. – Принципиальная схема ручного потенциометра с термопарой

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что величина ТЭДС прямо пропорциональна сопротивлению участка bc реохорда R_p.

Таким образом, определение ТЭДС E_{AB(t, t0)} термопары сводится к измерению величины сопротивления R΄_P, так как ЭДС нормального элемента E_НЭ и сопротивление установочного резистора R_У имеют постоянные и известные значения. Следовательно, шкала потенциометра, нанесенная вдоль реохорда R_Р, может быть проградуирована непосредственно в мВ или в случае работы потенциометра с термопарой определенной градуировки – в °С. Так как при компенсационном методе измерения ток в цепи термопары в момент полной компенсации ЭДС отсутствует, сопротивления внешней цепи и гальванометра не оказывают влияния на результаты измерения. Однако при значительном увеличении сопротивления внешней цепи понижается чувствительность гальванометра, а, следовательно, и точность уравновешивания потенциометром искомой ТЭДС.

От находящегося в потенциометре нулевого гальванометра требуется только высокая чувствительность, точность же его значения не имеет, так как он служит здесь для обнаружения тока, а не для его измерения. Для увеличения чувствительности гальванометр имеет небольшое сопротивление. При работе потенциометра рабочий ток в измерительной цепи должен быть всегда постоянным, поэтому при каждом очередном измерении следует контролировать силу тока и производить подрегулировку ее при помощи реостата R.

Применяемый в потенциометре для установки и контроля рабочего тока нормальный элемент (рис. 3.6) состоит из Н-образного стеклянного сосуда с впаянными в дно выводами из платиновой проволоки, соединенными с электродами. Нормальный элемент не должен подвергаться нагрузке, превышающей 0,001 мА, во избежание его поляризации, то есть по-

явлению в нем противонаправленной ЭДС, возникающей вследствие разложения электролита. Защита элемента от поляризации достигается путем применения специальных веществ, называемых деполяризаторами. Для предупреждения преждевременного выхода НЭ из строя нельзя подвергать его толчкам, сотрясениям и чрезмерному нагреву или охлаждению. Допустимые пределы колебаний температуры окружающей среды составляют 5…35 °С.

Рис. 3.6 – Схема насыщенного нормального элемента, где

1 – амальгама кадмия; 2 – кристаллы сульфата кадмия; 3 – насыщенный раствор сульфата кадмия; 4 – сульфат ртути; 5 – ртуть.

Нормальные элементы бывают насыщенные классов точности 0,001; 0,002 и 0,005 и ненасыщенные класса точности 0,02. В них соответственно

залит насыщенный и ненасыщенный раствор сульфата кадмия (CdSO₄). Отрицательным электродом элементов является амальгама кадмия (10…12% Cd по массе), а положительным – ртуть (Hg). Они обеспечивают высокую точность по напряжению. Так у НЭ класса точности 0,02 (Е_HЭ = 1018,90 ± 0,04 мВ) допускаемое изменение ТЭДС за год составляет око- ло 0,2 мВ. Следовательно, после пяти лет работы изменение характеристики составит не более 1 мВ (0,1%).Он обладает весьма небольшим температурным коэффициентом. Необходимо отметить, что НЭ могут включаться лишь кратковременно, т.к. они маломощны.

Изучаемый переносный потенциометр типа ПП-63 имеет класс точности 0,05 и работает в трех рабочих диапазонах измерений 0…25, 0…50 и 0…100 мВ. В электрическую схему прибора включен источник регулируемого напряжения (ИРН).

Потенциометры с ручной компенсацией применяются для поверок датчиков температуры, милливольтметров, автоматических потенциометров, а также для индивидуальных измерений, как в лаборатории, так и в помещении, где установлен тепловой щит управления.

Для постоянных измерений и регулирования в промышленных условиях применяют электронные автоматические потенциометры.

3.3.2 П р и н ц и п р а б о т ы э л е к т р о н н ы х а в т о м а т и-

ч е с к и х п о т е н ц и о м е т р о в

Автоматические потенциометры (АП) исключают участие оператора в проведении операций компенсации входного сигнала и широко используются для измерения, регистрации, сигнализации и АСР температуры и др. параметров в промышленных печах. Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока. На переменном то-

Ке они менее точны и используются при построении нормирующих токовых преобразователей для введения информации от ТП в систему ЭВМ в виде унифицированного токового сигнала.

Автоматический потенциометр имеет схему (рис. 3.7), аналогичную схеме переносного, но имеет два контура компенсации напряжения II и III. Контур III, содержащий в цепи резистор Rм из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов термопар АВ с помощью удлинительных проводов FD, которые подводятся к резистору Rм и находятся при одной с ним температуре.

Остальные резисторы выполнены из манганина. Для питания контуров II и III вместо сухого элемента используется источник питания стабилизированный (ИПС), в котором напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5В при нагрузке по сопротивлению в 1000 Ом и по току в 5 мА. При работе ИПС в потенциометре напряжение между d и k Udk=1019 мВ, что упростило кинематику и надежность прибора.

Подключение к клеммам К₁ и К₂ нормального элемента (НЭ) Е_нэ и нуль-индикатора осуществляется при контроле рабочего тока I₂ лишь при поверке и градуировке потенциометра, при этом U_ke=I₂R_k= Е_нэ. Реохорд R_у служит для установки I₂. Реохордная группа R_пр состоит из собственно реохорда R_р, шунта R_ш и сопротивления R_п

Рис. 3.7 – Схема автоматического потенциометра

При необходимости изменения сопротивления на участке ab при изменении диапазона измерений, изменяют R_пр за счет R_п, иногда шунта R_ш, но остается стандартным R_р (из проволоки специального сплава).

Резисторы R_н и R_б служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I₁=3 мА. В качестве нуль-индикатора НИ используется электронный усилитель ЭУ, на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала небаланса напряжения постоянного тока ∆U в переменное напряжение. Фильтр из резистора R_ф и конденсатора С_ф предохраняет ЭУ от помех и наводок, возникающих в цепи ТП под влиянием электромагнитных полей.

Пусть при некотором значении измеряемой ТЭДС ЕАВ (t t₀) в некотором положении движка реохорда С ток в контуре измерения II равен нулю, т.е. ЕАВ (t t₀) скомпенсировано падением напряжения Uсе на участке c b d e.

Тогда сигнал небаланса ∆U=ЕАВ (t t₀) – Uсе =0. При сигнале равном нулю на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком небаланса формируется управляющий сигнал, при котором реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда С до установления ∆U = 0. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель У. Достижение полного равенства реализуется благодаря тому, что система авто-компенсации является астатической, астатическим звеном является и реверсивный двигатель РД.

Автоматические потенциометры бывают полногабаритными, малогабаритными и миниатюрными с шириной диаграммной ленты 250, 160, 100 мм. Их выпускают в виде показывающих и самопишущих, одно - и многоточечных. В них могут встраиваться регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для передачи показаний на расстояние с помощью токовых, частотных, ферродинамических и пневматических преобразователей.

Наибольшее распространение в металлургии получили автоматические показывающие и регистрирующие потенциометры типа КСП-4 с ленточной диаграммой, которые предназначены для работы с термопарами стандартных градуировок (ХА, ХК и ПП) и КСП-З с круглой диаграммой для работы еще и с чувствительным элементом пирометра. Градуировка шкалы выполнена в градусах температуры: запись – непрерывная чернилами на дисковой диаграмме диаметром 300 мм, время одного оборота диаграммы – 24 ч, время прохождения всей шкалы пером.

Электронные потенциометры типа КСП-4 производят запись на ленточной диаграмме. Возможно изменение скорости записи (восемь ступеней) от 60 до 1414 мм/ч. Приборы выпускают для записи по 2, 3, 6, 12 и 24

каналам, в них предусмотрены сигнализация об окончании диаграммной бумаги и автоматическая остановка. Запись проводится в прямоугольных координатах на диаграммной ленте шириной 275 мм: в одноканальных приборах непрерывно чернилами, а в многоканальных – циклично печатающим устройством. Время прохождения регистрирующей кареткой всей шкалы может изменяться в пределах 1 ...8 с. Класс точности автоматических потенциометров – 0,5.

Принципиальная схема электронного потенциометра КСП-4 приведена на рис. 3.8. Питание моста производится от источника стабилизированного напряжения ИПС, который при напряжении 5 В дает ток 5 м А.

Конденсаторы С1, С2 и СЗ совместно с резисторами R1, R2 и R3 образуют фильтры, которые устраняют помехи, возникающие в цепи термопары под действием внешних магнитных полей. Как только в цепи термо-пары появляется разность напряжений между ТЭДС термопары и уравновешивающим ее напряжением реохорда, возникает ток разбаланса, который из постоянного преобразуется модулятором в переменный и подается на вход усилителя УЭД, состоящего из усилителя напряжения и усилителя мощности. К выходу усилителя мощности подключается одна из обмоток реверсивного исполнительного двигателя РД-09, вторая обмотка которого питается от сети. Конденсаторы С4 и С5 обеспечивают получение сдвига фаз (на 9°). Ротор электродвигателя РД-09 кинематически связан с движком реохорда R4, пишущим пером диаграммы и с показывающей стрелкой шкалы. Электродвигатель РД-09 вращается в определенную сторону, и движок передвигается по реохорду до наступления компенсации ТЭДС термопары и уравновешивающего его напряжения, от чего ток разбаланса становится равным нулю и система останавливается. Реакция усилителя настолько быстра, что систему можно считать практически безынерционной.

Рис. 3.8 − Упрощенная схема электронного потенциометра КСП4

Реохорд выполнен из сплава (палладий с вольфрамом), имеющего высокую стойкость против истирания, а контакты движка выполнены из сплава золота, серебра и меди.

Синхронный двигатель типа СД-54 предназначен для перемещения диаграммной ленты. Он питается непосредственно от сети и включается тумблером S1. Общее включение прибора осуществляется тумблером S2.

3.4. Определение погрешности приборов и измерительных комплектов

Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показанием Х_П прибора и истинным значением измеряемой величины. Поскольку, как указывалось выше, истинное значение величины остается неизвестным, на практике вместо него пользуются действительным значением величины Х_Д, отсчитанной по образцовому прибору. Таким образом

Δ_П = Х_П – Х_Д (3.7)

Поправкой называют величину, одноименную с измеряемой, которую следует алгебраически прибавить к показаниям прибора, чтобы получить действительное значение. Поправка равна абсолютной погрешности измерения, взятой с обратным знаком.

Относительная погрешность измерительного прибора δ_П – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой им величины. На практике, как правило, относительную погрешность выражают в процентах:

δ_П = ± (Δ_П / Х_Д)·100 (3.8)

Приведенная погрешность измерительного прибора ν_П – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению X_N (обычно выражается в процентах):

ν_П = ±(Δ_П / Х_N)·100 (3.9)

Нормирующее значение X_N – условно принятое значение, которое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Как правило, за нормирующее значение принимаются: конечное значение диапазона измерений (для приборов, имеющих нулевую отметку на краю шкалы). Для приборов, имеющих двустороннюю шкалу (нулевая отметка в середине шкалы) нормирующее значение равно арифметической сумме конечных значений диапазона измерений. Например, для термометра со шкалой от минус 50 до плюс 50°С величина X_N будет определяться суммой 50+50 = 100°С. Для приборов со шкалами без нуля (так называемые шкалы с «подавленным нулем») – это есть разность конечного и начального значений диапазона измерений Например, для потенциометра, имеющего шкалу 300…1600°С величина X_N будет определяться разностью 1600 – 300=1300°С.

Необходимо отметить, что приведенная погрешность характеризует лишь метрологические свойства самого прибора, а не погрешность измерений, полученных с помощью этого прибора, которые могут выражаться только в виде абсолютной погрешности. Абсолютная и относительная погрешности в соответствии с выражениями (3.7), (3.8) и (3.9) связаны с приведенной следующими соотношениями:

Δ = ν_П · X_N /100 (3.10)

δ = ν_П · X_N / X_Д (3.11)

Как видно из уравнения (3.5) относительная погрешность практически всегда больше приведенной (кроме случая, когда измеряемая величина больше, например, верхнего предела измерения, т.е. X_Д > X_N). Причем, чем меньше значение измеряемой величины X_Д, тем больше относительная погрешность. Поэтому измерительные приборы рекомендуется выбирать таким образом, чтобы при измерениях указатель находился во второй половине шкалы, а также подбирать предел измерения образцового прибора таким образом, чтобы он превышал предел измерения поверяемого прибора не более чем на 25 %.

На показания приборов оказывают значительное влияние внешние факторы, называемые влияющими величинами.

Область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в качестве нормальной для этих средств измерений, называется нормальной областью значений. При нормальном значении влияющей величины погрешность средств измерения минимальна. Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура и влажность окружающего воздуха, характер вибрации, напряжение питания, величина внешнего магнитного и электрического поля и т.д.) находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями применения средств измерений. Нормальные условия оговариваются в технических условиях заводов - изготовителей средств измерений.

Погрешность средств измерений, используемых в нормальных условиях, называется основной погрешностью. Изменение погрешности средств измерений, вызванное отклонением одной из влияющих величин от нормального значения называется дополнительной погрешностью.

В зависимости от основной и дополнительной погрешности средствам измерений присваиваются соответствующие классы точности.

Класс точности – обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства измерения, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Средства измерений выпускаются на следующие классы точности: 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0. Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств (под точностью средств измерений понимается качество измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей). На циферблаты, щитки, корпуса средств измерений наносят условные обозначения класса точности, включающие числа и прописные буквы латинского алфавита и заключенные в окружность. Это число погрешности, соответствующее нормальным условиям работы прибора, т.е. по температуре, давлению, влажности и т.д.

Н а п р и м е р. Класс прибора со шкалой – 50…+100 ^оС составляет 1,5. Погрешность такого прибора будет составлять [(100 – (–50)] = 150 ^оС; (150×1,5) / 100 = ±2,25 ^оС.

Пределом допускаемой погрешности средства измерений называется наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Предел допускаемой основной погрешности может выражаться одним из трех способов в форме абсолютной погрешности, относительной погрешности и приведенной погрешности.

Для средств измерений, у которых нормируются абсолютные погрешности, класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. В отдельных случаях добавляются индекс в виде арабской цифры. Такое обозначение класса точности не связано с пределом допускаемой погрешности, т. е. носит условный характер.

Для средств измерений, у которых нормируется приведенная или относительная погрешность, класс точности обозначается числами и существует связь между обозначением класса точности и конкретным значением предела допускаемой погрешности.

При выражении предела допускаемой основной погрешности в форме приведенной погрешности класс точности обозначается числами, которые равны этому пределу, выраженному в процентах. При этом обозначение класса точности зависит от способа выбора нормирующего значения. Если нормирующее значение выражается в единицах измеряемой величины, то класс точности обозначается числом, совпадающим с приведенной погрешностью. Например, если ν = l,5%, то класс точности обозначается 1,5 (без кружка). Если нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части, то обозначение класса точности [(при ν = 1,5 %) будет иметь вид 1,5 (в кружке).

При выражении предела допускаемой основной погрешности в форме относительной погрешности необходимо руководствоваться следующим.

Предел допускаемой относительной погрешности согласно выражению (6)

δ_Д = ±(Δ_Д / X)·100 (3.12)

где Δ_Д – предел допускаемой абсолютной погрешности; X – измеренное значение.

Вероятная погрешность рассчитываемой величины не равна сумме погрешностей слагаемых, а существенно меньше, так как учитывается тот факт, что погрешности слагаемых могут иметь различные знаки

Δ_u = √Δ_x +Δ_y + Δ_z (3.13)

где Δ_x ,Δ_y ,Δ_z – вероятные случайные погрешности величин x, y, z.