Автоматические электронные потенциометры

Принцип действия автоматических электронных потенциометров основан на компенсационном методе измерения термоЭДС, заключающемся в автоматическом уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным напряжением, получаемым от строго определенного (рабочего) тока на сопротивлении с известным значением.

Типовая принципиальная схема таких потенциометров (рисунок 3.6) содержит: компенсационную мостовую измерительную схему А1, которая вырабатывает напряжение U_AB, компенсирующее измеряемую термоЭДС Е_х;входное устройство U_z, предназначенное для преобразования поступающего из измерительной схемы сигнала небаланса (некомпенсированного напряжения) постоянного тока DU в сигнал (напряжение) переменного тока; усилитель сигнала небаланса переменного тока А2; реверсивный асинхронный двигатель конденсаторного типа, управляющая обмотка которого питается выходным напряжением с усилителя А2 и который кинематически связан с движком реохорда 1 и кареткой 2, перемещающей указатель (стрелку) 3 вдоль шкалы 4 и перо самописца 5 (если модификация потенциометра с записью измеряемой величины) вдоль диаграммной ленты 6; систему кинематической передачи 7; состоящую из приводного ролика 8 и натяжных роликов 9, связанных между собой тросовой передачей; синхронный двигатель М2 (если модификация потенциометра с записью) для продвижения диаграммной ленты 6.

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема автоматического электронного потенциометра

Над шкалой 4 установлена стрелка 10, перемещаемая вдоль шкалы в ручную и являющаяся задатчиком измеряемой температуры. Со стрелкой 10 жестко соединен микропереключатель SQ, переключающий свои контакты в момент совмещения стрелок 3 и 10 и являющийся выходным сигнализирующим (регулирующим) устройством.

Измерительный мост А1 питается от источника стабилизированного напряжения, обеспечивающего постоянство рабочего тока в измерительной схеме. В одну вершину моста включен реохорд R_р с токоотводом (вспомогательной спиралью) ХА, предназначенный для изменения компенсирующего напряжения. Плечи моста составлены из резисторов: R_н – для установления диапазона измерения ЭДС ; R_т – для установки величины рабочего тока; R_к – для контроля рабочего тока при градуировке или поверке прибора; R_м – вспомогательный резистор из медной проволоки для автоматического введения поправки на изменение термоЭДС термопары ВК при изменении температуры ее свободных концов; R_п – для ограничения регулировки тока в цепи источника питания GВ при градуировке. Все резисторы, кроме R_м изготавливают из стабилизированной манганиновой проволоки. Термопара ВК, как видно из схемы, подключена последовательно с усилителем UZ-A2 к диагонали АВ моста A1, при этом напряжение небаланса направлено навстречу измеряемой термоЭДС.

Схема потенциометра работает следующим образом. В исходном состоянии мост сбалансирован так, что при температуре градуировки термопары (0 °С) и при крайнем левом положении подвижного контакта реохорда напряжение на выходе моста U_ав = E_х = DU = 0. Параметры плеч моста А1 выбраны таким образом, что величина напряжения U_ав зависит только от положения движка реохорда 1, т. е. от изменения сопротивления R_р. С учетом кинематической связи каждому положению движка 1 соответствует определенное положение указателя 3 на шкале 4. Поэтому для каждого значения измеряемой ЭДС Е_х можно найти такое положение движка реохорда, при котором компенсирующее напряжение U_ав будет равно Е_х. При этом напряжение небаланса DU = 0 и исполнительный механизм М1 следящей системы компенсации находится в покое. При измеряемой температуре, отличной от ее градуировочной величины, измеряемая термоЭДС Е_x не равна компенсирующему напряжению U_ав, в результате чего возникший сигнал небаланса DU подается через преобразователь UZ на вход усилителя А2. Этот сигнал усиливается до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя M1, выходной вал которого будет вращаться в направлении, зависящем от полярности сигнала DU. Полярность сигнала обусловливается знаком большей величины Е_х или U_ав. Выходной вал двигателя М1 через систему кинематической передачи 7 воздействует на движок реохорда измерительной схемы А1, изменяя компенсирующее напряжение U_ав до тех пор, пока оно не уравновесит измеряемую термоЭДС Е_х. Одновременно приводится в движение каретка 2 с указателем 3 и пером 5, фиксируя значение измеряемой температуры.

При применении потенциометра только в качестве измерителя контролируемой величины задатчик 10 и выходное регулирующее устройство SQ не используются.

Конструкция стандартного автоматического электронного потенциометра KCП-4 представлена на лабораторном стенде.

С целью обеспечения нормированной погрешности при измерении и регулировании температуры термопара, подключаемая к потенциометру, должна иметь с ним одинаковое стандартное обозначение градуировки (например, гр. ХА, ХК и т. д.)

3адачи работы

1. Изучить конструкции и принципы действия первичных преобразователей температуры: термометров сопротивления, термисторов и термопар.

2. Изучить конструкции и принципы действия вторичных приборов: логометров и электронных автоматических потенциометров; составить принципиальные схемы приборов.

3. Исследовать зависимость сопротивления термометра сопротивления и термистора от их температуры.

4. Исследовать зависимость термоЭДС термопары от температуры рабочего спая.

Методика исследований

1. Конструкции и принципы действия первичных преобразователей температуры и вторичных приборов изучить по методическим указаниям к настоящей работе, натурным образцам и рекомендуемой литературе.

Исследование статических характеристик термометра сопротивления, термистора и термопары провести на лабораторной установке, принципиальная схема которой изображена на рисунке 7. Она состоит из нагревательной электропечи А8 (Р_н = 1,0 кW), в рабочей камере которой установлены исследуемые термопары ВК2, термометр сопротивления RK1 и термистор RК2; автоматического потенциометра A3 для измерения температуры в печи А8 совместно с термопарой ВК2, моста постоянного тока А7 (Р333) для измерения величины сопротивлений термометра сопротивления RК1 и термистора RК2.

На лицевой панели пульта размещены: автоматический выключатель QF2для подачи напряжения питания 220 V, 50 Нz на лабораторную установку и защиты ее электрооборудования от аварийного короткого замыкания, переключатели – тумблеры SA1–SА4 для ручного управления, милливольтметр А4 для измерения термоЭДС исследуемой термопары ВК2 и логометр А5–А6 с термометром сопротивления RК1 для измерения температуры в печи А8.

Внимание. Перед началом работы все органы ручного управления установки должны быть установлены в исходное положение : QF2, SА2, SА-А8 – выключены; SA1, SA3 – в положение «Температура», SА4 – в положение «Термометр сопротивления RK1».

Рисунок 7 – Электрическая принципиальная схема лабораторной установки для исследования термоизмерительных преобразователей

2. Снять и построить статические характеристики датчиков температуры.

А. Включить автоматический выключатель QF2, тумблер SA2.

Б. При комнатной температуре измерить ее значение в печи А8 по показаниям вторичных приборов A3 и А6.

Установить переключатель SA1 в положение «ТермоЭДС Е_x», измерить величину термоЭДС Е_х термопары ВК2 по показаниям прибора А4 (шкала mV). Переключить тумблер SA1 в исходное положение «Температура». Выключить логометр А6 тумблером SА2. Установить тумблер SA3 в положение «Сопротивление R_x».

Пользуясь мостом А7, измерить величину сопротивления термосопротивления RK1:

– нажать кнопку «MB» на лицевой панели моста;

– ручкой «П5» установить множитель «n» в положение «10^-2»;

– переключателями П1–П4 установить ожидаемое значение R_x=50–60 Ом нажать кнопку «ЭНИ» и вращением ручки «Баланс» добиться одновременного свечения светодиодов;

– нажать кнопку «ПИТ»;

– уравновесить мост вращением переключателей П1–П4, добиваясь одновременного (или близкого к нему) свечения светодиодов;

– вычислить сопротивление по формуле

R_x = nR,

где n – множитель декады П5,

R – сопротивление плеч сравнения П1–П4.

Установить тумблер SA4 в положение «Термистор RK2». Измерить величину сопротивления термистора RК2 при помощи моста А7, как указано выше при установке множителя «n» в положение «10» и R_x = (40–45) × 10³ Ом. После измерения сопротивления RK2 переключить в исходное положение: тумблер SA4 – в положение «Термометр сопротивления RK1», тумблер SA3 – в положение «Температура Т °С». Тумблером SA2 включить логометр А6.

Результаты измерений записать в таблицу:

Таблица 3.1

№ опыта	Т_А3, °С	Е_х, mV	Т_А6, °С	R_RK₁, Ом	R_RK₂, Ом
	Т_комн.

Г. Включить печь А8 тумблером SА-А8. При достижении в печи температуры 30 °С зафиксировать ее значение по показаниям прибора A3 и А6. Выключить тумблер печи SА-А8.

Д. Повторить измерения по п. Г при Т = 30±2 °С, 40±2 °С; 60±2 °С; 80±2 °С; 100±2 °С.

Е. После окончания измерений установить все органы ручного управления в исходное положение: выключить тумблеры SА2, SА-А8 и автоматический выключатель QF2. Открыть дверцу печи А8.

Ж. По данным таблицы построить графики:

R_RK₁= f(T),

R_R_К₂ = f(T) и E_х = f(T),

где Т = (Т_А3 + Т_А6)/2.

Примечания – Во избежание разряда источника питания мост А7 включать только в моменты измерений. При включении нагрева печи мост необходимо выключить кнопками «ПИТ» и «ЭНИ».