ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОВ И ПОТЕНЦИОМЕТРОВ

Методические указания к лабораторной работе

РПК «Политехник»

Волгоград 2007

УДК 621.317.7 (075)

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОВ И ПОТЕНЦИОМЕТРОВ: метод. указ. к лабораторной работе / сост. В. В. Ласенко, М. С. Маркина; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2007. – 31с.

Излагаются принципы работы пирометрических милливольтметров и потенциометров, методики их поверки, а также вычисление погрешностей измерения температуры термоэлектрическими термометрами.

Предназначены для студентов очной (по направлнию 550500 «Металлургия») и очно-заочной (по специальности 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов») форм обучения, изучающих дисциплину «Основы автоматизации промышленных печей»

Ил. 11.Табл. 5. Библиогр.: 6 назв.

Р е ц е н з е н т А.В.Васильев

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 Волгоградский государственный

технический университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ……………………………………………………….4

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ………………………………………….…4

3. ТЕОРЕТИЧЕСАЯ ЧАСТЬ……………………………………………4

3.1. Общие понятия………………………………………………..…….4

3.2. Описание работы милливольтметров……………………..……….5

3.3. Компенсационный метод измерения температуры……………..10

3.3.1. Принцип работы потенциометров с ручной наводкой………..10

3.3.2 Принцип работы электронных автоматических

потенциометров………………………………………………………...13

3.4. Определение погрешности приборов и измеритель-

ных комплектов………………………………………………………...17

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ………...…20

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ…………………………………...…20

6. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ………………………………………...21

6.1. Подготовка к работе……………………………………………….21

6.2. Изучение работы милливольтметров…………………………….21

6.2.1 Исследование влияния на показания милливольтметра

температуры окружающей среды……………………………..………21

6.2.2 Проведение поверки милливольтметров……………………….22

6.2.3 Определение погрешности измерения комплектом

«термопара – милливольтметр»…………………………………….…23

6.3. Изучение работы потенциометров……………………….………25

6.3.1 Поверка потенциометра……………………………….…………25

6.3.2 Определение погрешности измерения комплектом

«термопара – потенциометр»………………………………………….26

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА…………………………………………..26

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…………………………………..…..28

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………...…….28

1. Цель работы

Ознакомить с принципом действия, устройством и работой милливольтметров, ручных и автоматических потенциометров. Научить измерять температуру комплектом «термопара – милливольтметр», «термопара – потенциометр» и определять погрешности измерения температуры этими комплектами.

2.Содержание работы

2.1. Изучить схемы, конструкции и принцип действия милливольтметра, переносного и автоматического потенциометров и назначение и взаимосвязи отдельных элементов приборов.

2.2. Ознакомить с методикой поверки милливольтметра и потенциометра.

2.3. Измерить температуру рабочего пространства печи комплектами «термопара – милливольтметр» и «термопара – потенциометр».

2.4. Определить погрешности измерения температуры указанными выше комплектами.

2.5. Обработать результаты экспериментов, написать отчет по лабораторной работе и сделать выводы.

3. Теоретичесая часть

3.1. Общие понятия

Принципиальная схема комплекта термоэктрического термометра (ТЭТ) для измерения температуры приведена на рисунке 3.1. Она состоит из термоэлектрического преобразователя (ТП) с термоэлектродами А и В, удлинительных (компенсационных) проводов A₁ и B₁, медных соединительных проводов С и измерительного прибора ИП. Рабочий спай (контакт) подвергается воздействию измеряемой температуры t₂, температура

Рис. 3.1 − Принципиальная схема термоэлектрического термометра

места соединения термоэлектродов (свободные концы) термопары с ком-пенсационными проводами находятся при температуре t₀, а t₁ – температу-

ра мест соединения компенсационных проводов с медными.

Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) рассматриваемой цепи

E=E_AB (t₂, t₀) – E_AB (t₁, t₀) + E_A1B1 (t₁, t₀), (3.1)

т.е. если термоэлектрические характеристики термопары AB и компенсаци-онных проводов A₁ и B₁ одинаковы, то изменение температуры t₁ не приведет к погрешностям в измерении. Действительно, при увеличении t₁ ТЭДС термопары уменьшится, но точно на такую же величину возрастет ТЭДС, развиваемая компенсационными проводами.

Комплект для измерения температуры состоит (рисунок 3.2) из термоэлектродов 1 и 2, образующих рабочий конец 3, которые изолированы друг от друга фарфоровыми трубками 4 и заключены в защитный чехол 5. В головке 6 оба термоэлектрода посредством зажимов, укрепленных на колодке 7, соединены с жилами 8 и 9 компенсационного провода, к которому посредством медных соединительных проводов 10 подключен в точках 11 и 12, являющихся свободными концами термопары, измерительный прибор 13. Постоянная температура свободных концов поддерживается термостатом 14.

Рис. 3.2 − Схема комплекта термоэлектрического термометра

В качестве вторичных измерительных приборов используются пирометрические милливольтметры и потенциометры.

3.2. Описание работы милливольтметров

Принцип работы милливольтметра заключается в использовании взаимодействия магнитного поля неподвижного магнита и постоянного тока, протекающего через обмотку подвижной рамки.

Измерительный механизм милливольтметра с внешним магнитом приведен на рисунке 3.3,а. Он состоит из постоянного магнита 2, полюсного наконечника 1, подвижной рамки 8, неподвижного сердечника 9, стрелки 3. Полюсные наконечники и неподвижный сердечник выполнены из ма-

гнитномягкой стали, обмотка рамки – из медной изолированной проволоки Ось рамки образована двумя кернами 6, установленными в агатовых или корундовых подпятниках, которые расположены в опорных винтах 5.

Рамка двигается вместе с легкой стрелкой, один конец которой перемещается относительно шкалы, а на другом расположены два усика с грузами 10. Перемещением грузов по винтовой нарезке усиков добиваются уравновешивания подвижной части. Центр тяжести проходит через ось вращения.

Спиральные пружинки 7, изготавливаемые из бронзовых сплавов, обеспечивают электрический контакт с перемещающейся рамкой и создают противодействующий уравновешивающий момент. У верхней пружины конец наружного витка закреплен в вилке, связанной с поводком корректора нуля 4.

Спиральная пластинка 11 является магнитным шунтом, перемещая который можно в определенных пределах изменять величины магнитной индукции в воздушном зазоре, в котором обеспечивается равномерное радиальное магнитное поле в необходимом интервале углов поворота рамки.

Сердечник, подвижная часть, винты с подпятниками закреплены в обойме с мостиком 12. Последние изготовлены из немагнитных материалов.

Рамка R_р включается в цепь ТЭП (рисунок 3.3,б) с помощью компенсационных А₁ и В₁, и медных С проводов. Сила тока, протекающего в цепи, зависит от величины ТЭДС Е_АВ (t₂ , t₀) и сопротивления измерительной цепи

I = Е_АВ (t, t₀ )/(R_Г + R_ВН),

где R_Г – сопротивление милливольтметра, складывающееся из сопротивления рамки R_р и добавочного сопротивления R_доб, Ом; R_вн – сопротивление внешней цепи, складывающееся из сопротивлений термопары R_Т, компенсационных R_КП, соединительных проводов R_с, а также подгоночной катушки, R_ПК, Ом.

При протекании тока через рамку, окруженную полем постоянного магнита, возникает магнитоэлектрический момент М (Н·м), поворачивающий рамку и равный:

М = 2r l·n·B·I,

где 2r – ширина рамки, м; l – длина рамки, м; n – число витков обмотки рамки; В – магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл; I – ток, протека-ющий в рамке, А.

При перемещении рамка одновременно закручивает спиральные пру-

жины, которые создают противодействующий упругий момент (Н·м):

М_п = W·φ,

где W – удельный противодействующий момент (момент пружин, отнесенный к единице угла поворота рамки), Н·м/рад; φ – угол поворота рамки, рад.

а б

Рис. 3.3 − Магнитоэлектрический милливольтметр, где а – измерительный механизм с внешним постоянным магнитом; б – электрическая схема с термоэлектрическим термометром

Удельный противодействующий момент зависит от материала и размеров пружинок или других видов подвески, например, растяжек.

Вращение рамки будет продолжаться до тех пор, пока магнитоэлектрический момент не уравновесится противодействующим упругим моментом М = М_п

φ = 2·r l·n·B·I / W;

Принимая, что 2r, l, n, B, W для данной конструкции прибора при нормальных условиях эксплуатации являются постоянными величинами, получим

φ = C_0·I,

где C₀ = 2·r·l·n·B / W - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Следовательно, чем больше ток, тем больше угол поворота рамки. Получим:

φ = C₀·Е_АВ (t, t₀)/(R_г + R_вн)………………...(3.2)

В общем виде угол поворота φ зависит от ряда параметров (для данного типа ТП):

φ = f (t, t₀, R_г, R_вн)………………….(3.3)

Для получения однозначной зависимости угла поворота рамки, а следовательно, и положения стрелки относительно оцифрованной шкалы прибора необходимо градуировать милливольтметр при заданных величинах t₀ = 0 °С и R_ВН = 5; 15; 25 Ом. Подгоночная катушка R_ПКпредназначена для того, чтобы в реальных условиях эксплуатации (изменяющиеся и заранее неизвестные значения сопротивлений R_Т, R _П.К, R_С) довести общую величину R_вн до значения, при котором был проградуирован прибор.

На точность показаний милливольтметра может оказывать влияние отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной (20 ± 5°С), так как это приводит к изменению сопротивления медной обмотки рамки (до 0,4% на 1 °С). Для снижения указанной погрешности последовательно с рамкой включается значительное дополнительное манганиновое сопротивление R_доб, которое практически постоянно, что приведет к уменьшению относительного изменения R_Г.

Напряжение на зажимах милливольтметра

U_ab =I·R_Г,

Подставим в данное выражение значение тока из формулы:

U_ab =Е_АВ (t, t₀) R_Г / (R_г + R_вн),

После преобразования получим:

U_ab =[Е_АВ(t, t₀) – U_ab· R_вн] / R_н (3.4)

Следовательно, измеряемый милливольтметром сигнал, отличается от ТЭДС, развиваемой термопарой, на величину падения напряжения во внешней цепи, которое тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление прибора. Это обстоятельство и определяет стремление увеличить данную характеристику измерительной системы.

Милливольтметры делятся на две группы: переносные и стационарные (щитовой монтаж). Для первой группы установлены классы точности 0,2; 0,5 и 1,0, для второй 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5. Промышленность выпускает показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры. Шкала градуируется либо в градусах Цельсия, либо в милливольтах; применяется также и двойная градуировка шкал. На панели прибора указываются тип градуировки ТП, класс точности, значения внутреннего и внешнего сопротивления милливольтметра.

Самопишущие приборы выпускаются для регистрации температуры в одной или нескольких точках. Они могут иметь встроенное двух - или трехпозиционное регулирующее устройство, в ряде случаев используемое как сигнализатор температуры.

Существуют конструктивные различные оформления измерительной части милливольтметров. Рамки выполняются как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Система подвески рамки на растяжках имеет высокую механическую прочность и исключает ошибки измерения, связанные с износом керновых подпятников. Расположение магнита внутри рамки обеспечивает получение неоднородного магнитного поля. Такие приборы имеют преимущества перед милливольтметрами с внешним магнитным полем (меньше собственное поле рассеяния, а также влияние внешних магнитных полей).

Измерительный комплект, включающий ТП и милливольтметр (рисунок 3.2 б), характеризуется не только наличием основных погрешностей (класс точности прибора, отклонение градуировки ТП от стандартной), но и возникновением в процессе эксплуатации дополнительных погрешностей, которые возникают в результате измерения:

1) сопротивления внешней цепи R_ВН в зависимости от непостоянной температуры в цехах и на поверхностях металлургического оборудования, вдоль которые прокладываются соединительные провода;

2) сопротивления прибора R_Г вследствие значительного изменения температуры помещения, в котором установлен прибор;

При отклонении температуры окружающего прибор воздуха от нормальной (20 ± 5 °С для стационарных и 20 ± 2°С для переносных) возникающая дополнительная погрешность не должна превышать основной погрешности на каждые 10 °С изменения температуры.

3) температуры t₀ свободных концов ТП;

4) механических характеристик измерительного механизма (упругих характеристик пружин, моментов трения в керновых подпятниках и т. п.);

5) наличия внешних магнитных полей.

Снижения влияния сопротивления внешней цепи добиваются увеличением диаметра соединительных проводов, а также повышением доли сопротивления подгоночной катушки R_доб (выполняется из манганиновой проволоки) в R_вн.

Для исключения влияния отклонения температуры t₀ свободных концов от градуировочной вместо термостатов широко применяются компенсационные коробки КТ для автоматической компенсации изменения ТЭДС термопары. На рис. 3.4. представлена схема включения устройства КТ в измерительную цепь, состоящую из милливольтметра М и термометра АВ. Компенсационные А₁, В₁ и соединительные С провода присоединены к клеммам КТ. Таким образом, сопротивления R₁, R₂, R₃, R₄ образующие

Рис. 3.4 − Принципиальная схема измерения ТЭДС с коробкой КТ для автоматической компенсации температуры свободных концов ТП

равноплечный мост, имеют такую же температуру t₀, которую имеют свободные концы. Сопротивления R₁, R₂ и R₄, выполнены из манганина, R₃ – из меди. К вершинам диагонали ab подается постоянное напряжение, напри-

мер от источника стабилизированного питания (на рисунке не показан). Сопротивления подобраны таким образом, что при t₀=0 °С напряжение на вершинах с и d равно нулю, т. е. на милливольтметр поступает сигнал ТП, соответствующий стандартной градуировке. При увеличении температуры t₀ (t'₀ > t₀) возрастает сопротивление R₃, что приводит к нарушению равно-весия моста и появлению в точках c и d напряжения, компенсирующего уменьшение ТЭДС термометра, Е_АВ (t′₀, t₀) = U_cd.

Точность, с которой устройство КТ воспроизводит соответствующую термоэлектрическую характеристику при изменении температуры свободных концов в пределах до t₀ = 50 °С, составляет ±3 °С для ТП типа ТПП, ТХА и ТХК.