14.6.1 Средства измерений, работающие в комплекте термопреобразователями сопротивления

В практике технологических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации термопреобразователей сопротивления, проводимых обычно в лабораторных условиях, получили применение потенциометры постоянного тока.

14.6.1.1 Уравновешенные мосты

Мосты подразделяют на неавтоматические и автоматические. В них используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических мостов, используемых в лабораторных условиях, измеряют сопротивление от 0,5 до 10⁷ Ом, в частности производят градуировку термопреобразователей сопротивления и измеряют температуру.

Схема уравновешенного моста показана на рисунке 15.6.2 Диагональ питания моста аЬ содержит источник тока, а диагональ измерения dс нуль-индикатор, в частности нуль-гальванометр. Между точками подключения разноименных диагоналей располагаются плечи моста, состоящие в данном случае из постоянных резисторов R₁ и R₂ и регулируемого R₃, а плечо сb содержит измеряемое сопротивление R_t и два соединительных провода каждый сопротивлением R_BH . Если мост уравновешен, то ток I_НИ в диагонали сd. равен нулю, а токи в соответствующих плечах равны, т. е. I₂=I₃ и I₁=I_t, и как следствие, имеем –I₂R₂=I₁R₁ и I₃R₃=I_t(R_t+2R_BH.).

Разделив два последних равенства друг на друга, с учетом равенства соответствующих токов получаем выражение (14.94) /8/

(14.94)

Полученное выражение, выведенное из условия I_НИ = 0, предопределяет условие равновесия моста: чтобы мост находился в равновесии, необходимо соблюсти равенство произведений сопротивлений противоположных его плеч. Это достигается путем регулирования сопротивления резистора R₃ до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет нуль.

Рисунок 14.144- Схема уравновешенного моста

Рисунок 14.145 - Трехпроводная схема соединения термопреобразователя сопротивления с мостом

Таким образом, при равновесии моста имеет место равенство (14.95) /8/

(14.95)

Из (14.94) следует, что неизвестное сопротивление R_t может быть определено по значению R₃ при постоянном отношении плеч R₁/R₂, а также при неизменном значении R_BH. В то же время R_BH изменяется с изменением температуры окружающей среды, что приводит к искажению результата измерения R_t и в тем большей степени, чем меньше значение R_t. Указанный недостаток может быть устранен путем трехпроводного соединения термопреобразователя сопротивления с мостом (рисунок 15.6.3). При таком соединении питающая диагональ моста доводится (точка b) до термопреобразователя сопротивления. В результате этого соединительные провода оказываются разнесенными к двум плечам моста: одно из сопротивлений R_BH — в плече вместе с сопротивлением R_З, а другое R_BH — в смежном плече вместе c R_t . Тогда условие равновесия моста определяет равенство (14.96) /8/

(14.96)

Откуда следует выражение (14.97) /8/

(14.97)

Если сделать мост симметричным (R₁ = R₂), то будем иметь R_t = R₃. т. е. результат измерения R_t в этом случае не зависит от сопротивления соединительных проводов R_BH.

Недостатком уравновешенных мостов, собранных по указанным схемам (рисунки 14.144 и 14.145), является неопределенность в измерении, которую вносит переходное сопротивление контакта в регулируемом плече R₃. Для устранения этого недостатка подвижный контакт располагают в измерительной диагонали, при этом регулируемое сопротивление оказывается размещенным в двух плечах. Таким образом, при уравновешивании моста путем перемещения контакта изменяется сопротивление сразу обоих плеч, а переходное сопротивление контакта, располагаемое теперь в измерительной диагонали, из-за отсутствия тока в момент уравновешивания не сказывается на результате измерения.

Достоинством уравновешенных мостов является независимость их от напряжения питания, минимально допустимое значение которого определяется чувствительностью нуль-индикатора.

Автоматический уравновешенный мост, собранный по схеме с переменным сопротивлением плеч и трехпроводным соединением термопреобразователя сопротивления с мостом, показан на рисунок 14.146.

Переменное сопротивление здесь содержит три параллельно соединенных резистора: R_P—собственно реохорд, выполняющий измерительные функции; R_Ш—шунт реохорда; R_П—резистор для подгонки заданного значения параллельного соединения сопротивлений всей реохордной группы; R_ПР, R₁, R₂, R₃ — резисторы мостовой схемы; R_Д—добавочный резистор для подгонки тока из условия минимального самонагрева термопреобразователя сопротивления; R_б — резистор балластный в цепи питания для ограничения тока; R_t — термопреобразователь сопротивления; R_Л — резистор для подготовки сопротивления соединительной линии; т — положение движка реохорда правее точки d в долях от R_ПР; n — положение движка реохорда левее точки d в долях от R_ПР.

Рисунок 14.146 - Схема автоматического уравновешенного моста

Для получения линейной зависимости положения движка реохорда от изменения сопротивления резистора R_t последний включается в плечо, прилежащее к реохорду.

В качестве нуль-индикатора НИ в автоматических мостах используется электронный усилитель ЭУ. Автоматические мосты питаются как переменным, так и постоянным током. В последнем случае на входе ЭУ устанавливается модулятор, подобно тому, как это делается в автоматических потенциометрах. При изменении температуры изменяется сопротивление R_t и мост выходит из равновесия, т. е. в измерительной диагонали cd появляется напряжение дебаланса , которое усиливается усилителем ЭУ до значений, достаточных для вращения ротора реверсивного двигателя КД в соответствующую сторону, в зависимости от знака дебаланса. Вал РД, связанный с движком реохорда, перемещает его до тех пор, пока дебаланс не станет равным нулю. Одновременно с движком перемещается каретка с пером и стрелкой, указывающей по шкале положение т движка или, что то же, значение измеряемой температуры. При изменении температуры от минимального до максимального значения движок перемещается из одного крайнего положения в другое (для схемы, показанной на рисунке 15.6.4, соответственно справа налево). Пусть при температуре, соответствующей начальному значению шкалы прибора, измеряемое сопротивление R_t равно R_tнач, а при изменении температуры Условия равновесия для двух этих случаев представляются в виде равенства (14.98) и (14.99) /8/

, (14.98)

(14.99)

Вычитая из второго равенства первое и решая относительно т, получим (14.100) /8/

(14.100)

Отсюда видно, что т — линейная функция . Кроме того, из последнего выражения следует, что, несмотря на трехпроводную схему соединения термопреобразователя сопротивления с мостом, показания последнего зависят от изменения сопротивления соединительных проводов. Однако эта зависимость, как показывают расчеты из различных источников, незначительна и при изменении температуры окружающей среды до t=40 °С изменение сопротивления проводов R_Л приводит к изменению показаний прибора в пределах (0,05— Ч) % от нормирующего значения измеряемой величины для различных диапазонов измерения. Полностью отсутствует влияние сопротивления соединительных проводов при симметричном мосте, т. е. когда . Так как это условие может быть реализовано лишь при одной измеряемой температуре, то обычно его выполняют для температуры t_сред, соответствующей середине диапазона шкалы. При этом /8/.

Назначение, устройство и принцип работы основных узлов автоматического моста — модулятора (при питании моста постоянным током), электронного усилителя, реверсивного двигателя, реохорда, записывающего устройства, привода диаграммы, переключателя (в многоточечных приборах) — такие же, как и в автоматических потенциометрах.

Выпускаемые в настоящее время автоматические мосты отличаются друг от друга назначением, конструкцией, размерами, точностью измерения и другими техническими характеристиками, например мосты одноточечные и многоточечные, самопишущие и показывающие с ленточной, а также с дисковой диаграммой: полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные с шириной диаграммной ленты соответственно 250, 160 и 100 мм. Классы точности автоматических мостов равны 0,25; 0,5 и 1, а время пробега стрелки всей шкалы 1; 2,5 и 10 с. В автоматические мосты встраиваются электрические и пневматические регулирующие устройства, а также устройства сигнализации; для дистанционной передачи показаний — преобразователи пневматические, токовые, частотные и др.