Лабораторная работа № 3 «Поверка электронного автоматического потенциометра»

Цель лабораторной работы

Изучение принципа действия и устройства электронного автоматического потенциометра. Теоретические основы

В основу метода, измерения температуры   с помощью термопар положен термо­электрический  эффект: в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения имеют раз­ную температуру.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников, называется термопарой, проводники А и В, образующие термопару, - термоэлектродами (Рис. 9). Спай термо­пары, помещенный  в объекте измерения и имеющий температуру t, называется рабочим или горячим.

Рис. 9 - Термопара

Спай, имеющий темпера­туру t₀, называется свободным или холодным. Суммарную ТЭДС этой замкнутой цепи получим, обходя цепь против часовой стрелки:

E_AB (t, t₀) = e_AB (t) + e_BA (t₀) (4)

где e_AB(t) и e_BA(t₀) - контактная ЭДС, возникающая в местах соединения и обусловленная разностью температур концов термоэлектродов А и В.

При t = t₀

E_AB (t₀, t₀) = e_AB (t₀) + e_BA (t₀) = 0 (5)

Откуда

e_BA (t₀) = - e_AB (t₀) (6)

Подставив (6) в (4), получим

E_AB (t₀, t₀) = e_AB (t) - e_AB (t₀) = 0 (7)

Таким образом, ТЭДС термопары зависит от двух переменных t и t₀. Но если под­держивать температуру одного из спаев постоянной, нап­ример t = const, то функция упро­стится, и уравнение перепишется таким образом

E_AB (t₀, t₀) = f (t) (8)

 Эта зависимость определяется опытным путем (т. е. градуировка термопары), а вы­ражать ее можно градуировочной кривой, являющейся статической характеристикой термо­пары (Рис. 10) и таблицами.

Рис.10 - Графическое определение поправки на температуру

свободных концов

Рис. 11 - Общий вид термоэлектрического термометра

 

Поправка на температуру свободных концов термопары

Выше было установлено (уравнение 8), что ТЭДС термопары является функцией температуры рабочего спая только в том случае, если темпе­ратура свободных концов посто­янна. Градуировка, термопары производится чаще всего при температуре свободных концов  t₀, равной 0 ⁰С (реже при + 20 ⁰С). В процессе измерения температура t₀ может быть от­личной от градуировочной, поэтому возникает необходимость внесения поправки, иначе по­лучаемые значения ТЭДС будут либо завышены, либо занижены. Это отклонение ТЭДС выражается уравнением:

E_AB (t, t₀) = E_AB (t, t₀^’) +/- E_AB (t₀^’, t₀) , (9)

где E_AB (t, t₀) - значение ТЭДС термопары при температуре свободных концов t₀, равной градуировочному значению;

E_AB (t, t₀^’) - значение ТЭДС термопары при действительной температуре свободных концов t₀;

E_AB (t₀^’, t₀)  - поправка, которая должна, быть внесена в показания прибора при t^’≠ t₀.

Если t₀^’ < t₀, то значения ТЭДС термопары завышены по сравнению с табличными данными, и поправка берется со знаком "минус". Если t₀^’ > t₀, то значения ТЭДС зани­жены, и поправка берется со знаком "плюс".

Как видно, поправка представляет собой ТЭДС термопары, которую она развивает при температуре горячего спая t₀^’ и при температуре сво­бодных концов t₀. Определить величину поправки, а также искомую температуру t можно по градуировочной кривой термопары, если известна действитель­ная температура свободных концов t₀^’. Это производится следующим обра­зом  (Рис. 10):

а) По графику находят величину поправки E_AB (t₀^’, t₀), взят случай t₀^’ > t₀.

б) Измеряют прибором значение ТЭДС термопары при действительной температуре свободных концов t₀ – E(t, t₀^’).

в) Зная суммарную ТЭДС E_AB (t, t₀^’) + E_AB (t₀^’, t₀), по графику определя­ют искомую температуру рабочего спая t.

Промышленные термопары

Любая пара проводников образует термопару, но не каждая пригодна для практиче­ского применения. Одним из основных требований, предъявляемых к термопарам, является то, что ЭДС, которую они развивают должна быть достаточной для измерения и однозначно меняться от температуры. Чтобы облегчить подбор материалов для термоэлектродов, не­об­ходимо определить их термоэлектрические свойства по отношению к одному - нормальному термоэлектроду. В качестве материала для нормального термоэлектрода, принята чистая платина. Все материалы по своим термоэлектрическим свойствам можно разделить на поло­жительные, у которых в паре с платиной ток в горячем спае течет от платины к этому мате­риалу, и отрицательные, у которых ток течет вы обратном направлении.

В настоящее время ГОСТом допускается применение ограниченного чи­сла типов термопар. В табл. 1 приведены данные о наиболее распростра­ненных промышленных тер­мопарах. В приложении даны градуировочные таблицы двух типов термопар. Табличные значения ТЭДС и градуировка шкалы рассчитаны на. температуру свободных концов термопа­ры (Табл. 4).

Таблица 4 – Промышленные термопары

Название термопары	Обозначение			Пределы измерения, С
	Термопара	Градуировка	Длительно		Кратковрем.
Платинородий – платина	ТПП	ПП	-20 – 1300		1600
Хромель – алюмель	ТХА	ХА	-50 – 1100		1300
Хромель - копель	ТХК	ХК	-50 – 600		800

 

Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволок диа­метром 0,5 - 5,2 мм. Термоэлектроды соприкасаются друг с другом только в рабочем спае, по всей остальной длине они электри­чески изолированы фарфоровыми трубками. Горячий спай термопар не изолируют. Его получают сваркой или пайкой. Для зашиты термопар от воздействия измеряемой среды изолированные термоэлектроды помешают в защитный чехол из материалов, выдерживающих высокие температуры в давлении измеряемой среды. За­щитные чехлы для темопар могут иметь различную форму в зависимости от объекта и рабо­чих условий. Для термопар, работающих при температурах до 1000 ⁰С, применяют металли­ческие защитные чехлы, а при температурах свыше 1000 ⁰С - фарфоровые чехлы. На защитном чехле имеется головка с контактной панелью для подключения соединительных проводов. Схема конструкции термоэлектрического термо­метра показана, на рис. 2.4, а общий вид термометра - на рис. 2.3.

Рис. 12 - Схема конструкции термоэлектрического термометра: 1-термоэлектроды, 2-изоляционные трубки, 3-защитный чехол, 4-соединительный винт, 5-головка термометра, 6-термоэлектродные соединительные провода, 7-свободные концы.

Рис. 13 - Схема внесения поправки на температуру свободных концов

Как видно из рис. 12 свободные концы термопары располагаются в го­ловке термоэлектрического термометра. Учитывать температуру свободных концов здесь трудно, кроме того, эта температура может значительно меняться. Поэтому есть смысл перенести свободные концы в место, где учет их температуры упрощен.

Перенос их осуществляется с помощью термоэлектродных соединительных проводов С и Д (13), которые должны в паре между собой при температурах t₀^’ и t₀ развивать такую же ЭДС, как и термоэлектроды термопары А и В при тех температурах. Соединительные провода можно изготовлять из тех же материалов, что и термоэлектоды термопары. В этом случае они являются простым продолжением ее. Если термоэлектроды сделаны из дорогих материалов, то соединительные провода выполняются из других, более дешевых материалов. Так, например, для платинородий-платиновой термопары соединительные провода делаются из меди и медноникелевого сплава, для хромель-алюмелевой термопары - из меди и константана. Для хромель-копелевой термопары провода изготовляются из этих же, не менее качественных сплавов, имеющих сходную характеристическую кривую. С измерительным прибором термопара соединена медными проводами F.

Перенос свободных концов термопары, как было указано, позволяет учесть их температуру и, следовательно, внести соответствующую поп­равку. Одним из способов внесения поправки является следующий: изме­рив температуру в зоне свободных концов, устанавливают с помощью кор­ректора стрелку отключенного прибора на отметку шкалы, соответствую­щую этой температуре. Если при дальнейшей эксплуатации температура свободных концов изменится существенно, эту поправку можно таким же образом изменить.

В промышленных условиях применяют компенсирующее устройство, кото­рым поправка на температуру свободных концов вносится автоматически. Термопара включается последовательно с неуравновешенным мос­том, три плеча которого R1, R2, RЗ выполнены из манганина, а R4 - из меди. Питание схемы осуществляется через выпрямитель.

Сопротивление Rд служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, при работе с термопарами различных градуировок. Мост настраивается таким образом, что при градуировочной температуре свободных концов, которые находятся рядом с сопротивлением R4, мост находится в равновесии. Разность потенциалов точек А и В при этом равна О. С изменением температуры свободных концов меняется R4, равновесие мос­та нарушается, между точками А и В возникает разность потенциалов. Сопротивление R4 рассчитывается таким образом, чтобы изменение раз­ности потенциалов на вершинах моста всегда было равно и противопо­ложно направлено изменению ТЭДС термопары при изменении температуры свободных концов.

 

Стартовое положение

Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 14.

Рис. 14 - Внешний вид электронного потенциометра

Порядок действий

1. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Никель). Выставьте вид измерения «Точно».

2. Включите прибор с помощью тумблера.

3. Выставьте исследуемое напряжение с помощью регуляторов (10mV). При этом, стрелка потенциометра отклонится влево или вправо.

4. Возьмите блокнот и зафиксируйте исследуемое напряжение, нажав на карандаш.

5. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительное напряжение при прямом ходе, нажав на карандаш в блокноте.

6. Снова установите исследуемое напряжение с помощью регуляторов и зафиксируйте выбор нажав на карандаш в блокноте.

7. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительно напряжение при обратном ходе, нажав на карандаш в блокноте.

8. Повторите эксперимент для нескольких значений напряжений. Результаты измерение занесите в отчет.

Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Никель»:

1 группа – 14 mV; 28 mV; 35 mV; 49 mV.

2 группа – 15 mV; 23 mV; 33 mV; 45 mV.

3 группа – 11 mV; 24 mV; 31 mV; 42 mV.

4 группа – 17 mV; 22 mV; 30 mV; 47 mV.

5 группа – 12 mV; 21 mV; 32 mV; 40 mV.

9. После завершения измерений на платиновом преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

10. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Алюминий).

11. Включите прибор с помощью тумблера и повторите действия с п.3 по п.8. Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Алюминий»

1 группа – 55 mV; 65 mV; 73 mV; 90 mV.

2 группа – 57 mV; 67 mV; 75 mV; 92 mV.

3 группа – 50 mV; 61 mV; 70 mV; 83 mV.

4 группа – 59 mV; 68 mV; 77 mV; 95 mV.

5 группа – 52 mV; 63 mV; 71 mV; 85 mV.

15. После завершения измерений на медном преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Краткое описание и принцип действия потенциометра.

2. Порядок измерений в одном из режимов.

3. Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0 – 100 ºС, согласно таблицы 1.

Основную приведенную погрешность  определяют по формуле:

 = (E_t – E_И)*100% / E_t, (10)

Таблица 5 - Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0 – 100 ºС

Проверяемое значение измеряемой величины, T, C°	Расчетное значение E, mV	Действительное значение входного сигнала, RИ, Ом			Погрешность поверяемого прибора в процентах нормирующего значения или в единицах измерения					Допустимое значение основной приведенной погрешности, %		Вывод
		При прямом ходе	При обратном ходе	Прямой ход			Обратный ход
							
	Хром-Никель
	1.								15
	2.								15
	3.								15
	4.								15
	5.								15
	Хром-Алюминий
	1.								15
	2.								15
	3.								15
	4.								15
	5.								15

Контрольные вопросы

1.       Конструкция термоэлектрического термометра.

2.       Материалы для термопар, требования к ним.

3.       Типы стандартных термопар.