14.5.3 Автоматические потенциометры

Измерительная схема автоматического потенциометра (рисунок 14.141) основана на схеме потенциометра с постоянной силой рабочего тока (смотри рисунок 14.139). Однако здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения // и III. Контур ///, содержащий в цепи резистор R_M из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя. Свободные концы термоэлектрического преобразователя АВ с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору R_M и находятся при одной с ним температуре.

Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина. Для питания контуров // и /// в современных автоматических потенциометрах вместо батареи постоянного тока (сухого элемента) используется источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В (погрешность стабилизации ± 5 или ± 10 мВ соответственно для классов точности 0,1 и 0,2) при нагрузке 1000 Ом и токе нагрузки I₀, равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками d и k U_dk =1019 мВ. Благодаря использованию ИПС в автоматических потенциометрах установка рабочего тока осуществляется через несколько тысяч часов непрерывной работы, кроме того, упростилась кинематика механизма и повысилась надежность прибора.

Рисунок 14.141 - Измерительная схема автоматического потенциометра

Подключение к клеммам К₁ и К₂ нормального элемента E_НЭ и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока I₂ лишь при поверке и градуировке потенциометра. При этом U_ke =I₂ R_K=E_НЭ. Обычно R_K=509,3 Ом, тогда I₂=2 мА; R_Y—резистор для установки рабоче­го тока I₂; R_ПР — значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединяемых резисторов: собственно реохорда R_P, шунта R_Ш и сопротивления R_П. Такое исполнение реохордной группы связано с тем, что реохорд R_P является ответственным узлом, предназначенным для измерения. Поэтому он изготавливается из проволоки специального сплава. При необходимости изменения сопротивления на участке аb, что бывает связано с изменением диапазона измерения, изменяют общее сопротивление R_ПР этого участка за счет изменения R_П, а иногда и R_Ш, оставляя при этом R_P стандартным. Резисторы R_H и R_б служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I₁ =3 мА. В качестве нуль-индикатора НИ в автоматических потенциометрах использу­ется электронный усилитель ЭУ, на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала небаланса напряжения постоянного тока в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающих в цепи термоэлектропреобразователя под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из сопротивления R_Ф и конденсатора С_Ф. Рассмотрим работу автоматического потенциометра. Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС E_AB(tt₀) и некотором положении движка реохорда С ток в контуре измерения // равен нулю, т. е. E_AB(tt₀) скомпенсировано падением напряжения U_ce на участке cbde. Тогда сигнал небаланса равен нулю. При сигнале на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком небаланса формируется управляющий сигнал, при котором реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда С до тех пор, пока не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель У. Сведение к нулю небаланса , т. е. достижение полного равенства компенсирующего напряжения U_ce измеряемой термоЭДС E_AB(tt₀), реализуется благодаря тому, что система автокомпенсации является астатической. Свойство астатичности достигается из-за наличия в системе регулирования небаланса интегрирующего или астатического звена, в качестве которого выступает здесь реверсивный двигатель.

Разберем теперь, как осуществляется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термоэлектропреобразователя.

При некоторой температуре t рабочего спая и температуре свободных концов t₀ =0 имеет место равенство (14.79)

(14.79)

Пусть при той же температуре рабочего спая t температура свободных концов изменилась: . Тогда термоЭДС ТЭП уменьшится на и станет равной Повышение температуры от t₀ до приведет к увеличению значения сопротивления резисторы от до , т.е. на Вследствие этого падение напряжения на этом резисторе увеличится на , тогда получаем равенство (14.80)

(14.80)

Таким образом, при неизменной температуре рабочего спая t и любой температуре свободных концов для того, чтобы движок С не перемещался и не изменялось показание прибора, т. е. Для того, чтобы небаланс равнялся нулю, необходимо обеспечить условие (14.81) /8/

(14.81)

Значение сопротивления медного резистора при t=0 °С определяют из (14.81), учитывая, что входящее сюда значение равно Следовательно получим формулу (14.82) /8/

(14.82)

где — температурный коэффициент электрического сопротивления меди;

I = 2 мА;

— принимают равным 50 °С.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь конструктивным исполнением, имеют практически одну и ту же типовую измерительную схему, подобную приведенной на рисунке 14.141.

При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартные пределы измерения на заданный диапазон. Значения сопротивления резисторов измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих соотношений.

Для заданных начального t_min и конечного t_max значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют и Падение напряжения U_ab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т. е. Падение напряжения можно вычислить по формуле (14.83) /8/

(14.83)

Отсюда определяют значение R_ПР, принимая I₁=3 мА. Так как

, R_P =130 Ом и R_Э=90 или 100 Ом,

По найденному значению R_ПР определяют R_П. Значение R_Y подбирают из условия (14.84) /8/

(14.84)

Из (14.84) следует (14.85) /8/

(14.85)

Значение резистора R_б определяется из условия постоянства тока I₁=3мА, и определяется по формуле (14.86) /8/

(14.86)

откуда получаем (14.87) или (14.88)

, (14.87)

(14.88)

Автоматические потенциометры конструктивно, а также по дополнительно выполняемым функциям имеют ряд модификаций. Различают полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные автоматические потенциометры с шириной диаграммной ленты 250, 160 и 100 мм. Автоматические потенциометры 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, пневматических и ферродинамических преобразователей.

В зависимости от модификации классы точности прибора равны 0,25; 0,5 и 1,0. Несмотря на различия в конструктивном исполнении приборов и в их габаритных размерах измерительная схема автоматических потенциометров практически не отличается от схемы на вышеприведенном рисунке.