Пирометрические милливольтметры

Для измерения температур в комплекте с термоэлектрическими термометрами получили широкое распространение магнитоэлектрические пирометрические милливольтметры.

Принцип действия такого милливольтметра основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку, с магнитным полем постоянного магнита.

Рис. 28. Измерительный механизм магнитоэлектрического милливольтметра

Главной частью милливольтметра является измерительный механизм (рис. 28). Он состоит из постоянного магнита 1 цилиндрической формы, и подвижной рамки 2.

Рамка охватывает сердечник и может поворачиваться в узком воздушном зазоре между сердечником и стальным магнитопроводом 3. Рамка выполняется из сотен витков тонкой изолированной медной проволоки, скрепленных бакелитовым лаком, и приобретает жесткую прямоугольную форму. Она укреплена по центру сердечника на керновых опорах и имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси. Рамка жестко соединена со стрелкой 4, конец которой перемещается вдоль шкалы 6. Вся подвижная система тщательно балансируется с помощью грузика – противовеса 5, чтобы центр тяжести ее совпадал с геометрической осью вращения.

Рамка подключается к электрической цепи, в которой производится измерение термо - ЭДС. Подключение осуществляется через спиральные пружинки 5 (см. рис. 29),которые соединяются одним концом с рамкой, а другим закрепляются с неподвижными деталями прибора.

В результате взаимодействия проводников рамки с полем постоянного магнита возникает магнитный вращающий момент М_ВР, величина которого пропорциональна току, протекающему в рамке:

М_ВР=2rlBJ

где n – количество витков рамки;

2r – ширина рамки;

l – активная длинна рамки;

J – сила тока в ветвях рамки.

Магнитному моменту противодействует упругий момент со стороны пружинок:

М_ПР=С·φ

где φ – угол поворота рамки;

С – коэффициент, характеризующий жесткость пружинок.

Поскольку неподвижные рамки находятся в положении равновесия, можно приравнять эти моменты:

2rlbJ=C·φ

отсюда

Поскольку для данного прибора все величины, кроме силы тока, постоянны, то можно сделать вывод, что угол поворота рамки (и положение стрелки) зависит только от силы тока, протекающего через рамку.

Следует отметить, что при выводе этой формулы не учитывалась сила трения, возникающая в керновых опорах, которая хоть и очень мала, но все же присутствует. Именно она – основная причина вариации показаний прибора при прямом и обратном ходе.

Рис. 29. Подвижная часть измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра: 1 – проводники рамки; 2 – сердечник (постоянный магнит); 3 – керновые опоры; 4 – подпятники опоры; 5 – противодействующие спиральные пружинки.

Шкала пирометрического милливольтметра градуируется в ^оС.

Изменение температуры воздуха, окружающего прибор, изменит сопротивление рамки. Это приведет к изменению тока в рамке, а, следовательно, к изменению угла поворота стрелки, т.е. к изменению показания. Для уменьшения изменения показаний милливольтметра последовательно с рамкой может быть включен добавочный резистор R_Д, выполненный из манганина (рис. 30).

Кроме добавочного резистора для уменьшения изменения сопротивления измерительного механизма применяют включение последовательно с рамкой полупроводникового терморезистора, имеющий отрицательный температурный коэффициент (на рис. 30 не показан).

Рис. 30. Подключение термоэлектрического термометра к милливольтметру.

Изменение сопротивления внешней цепи так же приведет к изменению показаний милливольтметра (потому, что ток изменится). Поэтому необходимо, чтобы сопротивление внешней цепи (линии) равнялось тому значению, которое было при градуировке милливольтметра. Для этого в схеме имеется подгоночная катушка R_ПК, которая позволяет подгонять общее сопротивление линии под одно из стандартных градуировочных значений.

Рис. 31. Устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов пирометрического милливольтметра.

При изменении температуры свободных концов термопары будет происходить изменение термо – ЭДС, а следовательно и изменение показания милливольтметра, даже если температура рабочих концов не менялась. Чтобы этого не происходило, надо либо термостатировать свободные концы, либо постоянно вводить поправку на температуру свободных концов.

В современных приборах от термостатирования давно отказались. Современные милливольтметры имеют устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов (см. рис 31). Оно представляет собой мостовую схему, питаемую постоянным током. Три плеча моста (R₁, R₂, R₃) выполнены из манганина, четвертое (R₄) – из меди. Величины сопротивлений R₁, R₂, R₃ не зависят от температуры, R₄ – зависит.

Компенсационные провода присоединяются к клеммам так, что температура t₀ свободных концов и температура медного сопротивления имеют одинаковые значения. На питающую диагональ моста подается напряжение от стабилизированного источника постоянного тока.

При температуре свободных концов (и резистора R₄) ноль градусов мост находится в равновесии. Если температура свободных концов (и резистора R₄) будет отличаться от 0 ⁰С, то между вершинами а-b возникнет разность потенциалов U_ab Величины сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄ подобраны таким образом, что выполняется условие:

Таким образом, разность потенциалов U_ab изменяется взависимости от температуры так же, как и термо – ЭДС термометра. Напряжение U_ab равно значению поправки на температуру свободных концов .

В этой схеме резистор R₅ может быть использован как для корректировки (подстройки) cхемы, так и при переходе от одной градуировки к другой.

Необходимо подчеркнуть, что разность потенциалов на зажимах милливольтметров не равна ЭДС, а несколько меньше. Работая с милливольтметром, мы в действительности измеряем не ЭДС, а напряжение, т.е. величину U = ε_t - JR_л

где ε_t – термо- ЭДС;

J – ток в цепи термопары (и самого милливольтметра)

R_л - сопротивление линии (самой термопары и подводящих проводов).

Произведение JR_л стараются, насколько возможно, уменьшить. Для этого увеличивают количество витков рамки, (что приводит к увеличению общего сопротивления цепи, и как следствие, уменьшению тока J)

R_л так же стараются уменьшить. Для этого применяют удлиняющие соединительные провода сечением 2…2,5 мм² . В этом случае сопротивление внешней цепи не превышает 3…5 Ом.

Величина сопротивления R_л не остается постоянной. При изменении погодных условий температура воздуха в местах прокладки соединительных проводов будет меняться, поэтому будет меняться R_л, что приведет к увеличению погрешности. Это основной недостаток при дистанционном измерении температуры пирометрическими милливольтметрами.

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМО – ЭДС

Напомним, что компенсационный метод измерения ЭДС заключается в том, что действие неизвестной величины уравновешивается величиной известной. Компенсационный метод измерения ЭДС основан на уравновешивании измеряемой ЭДС падением напряжения на участке цепи (на переменном резисторе).

Рассмотрим схему (рис. 32), которая содержит источник постоянного тока, (например, батарею гальванических элементов) переменные сопротивление R_аb и R_р, термопару, гальванометр G. Переменное сопротивление включено в цепь не как реостат, а как делитель напряжения. (Делитель напряжения называется в электротехнике потенциометром, отсюда и название самого прибора для измерения ЭДС – потенциометр). В контуре a – b – d - c протекает электрический ток i. На участке а - b возникает падение напряжение U_ab=iR_ab. Мы можем изменять сопротивление R_ab до тех пор, пока падение напряжения станет равным величине ЭДС термопары (в этом момент стрелка гальванометра станет на 0), т.е.

ε_t = U_ab=i R_ab

Неизвестная величина ЭДС оказывается равной известному падению напряжения. Как видим, точность метода напрямую зависит от точности, с которой задан ток i. Поскольку ток i зависит от ЭДС батареи, которая с течением времени меняется в результате разрядки, поляризации электродов и т. д., возникает необходимость периодически корректировать величину тока i переменным регулировочным сопротивлением R_p.

Рис. 32. Схема, иллюстрирующая компенсационный метод измерения термо – ЭДС.

Контроль силы тока с помощью миллиамперметра, включенного в контур, не дает необходимой точности. Для установки и корректировки рабочего тока i используются так называемые нормальные элементы.

Нормальный элемент представляет собой обратный ртутный гальванический элемент. Он характеризуется очень малой разрядной мощностью (поэтому не может использоваться в качестве самостоятельного источника тока) и высокой стабильностью развиваемой ЭДС. Значение его ЭДС задано с очень высокой точностью (ЭДС нормального элемента ε_н.э.=1.0186 В) и практически не меняется с течением времени. При правильной эксплуатации в течении нескольких десятков лет ЭДС нормального элемента меняется не более, чем 0.1%. Температура окружающей среды так же почти не влияет на величину его ЭДС.

Рассмотрим схему, изображенную на рисунке 33. От предыдущей она отличается наличием еще одного контура, содержащего нормальный элемент, а так же наличием постоянного сопротивления R_ab. Гальванометр G может быть поочередно включен либо в цепь нормального элемента, либо в цепь термопары c помощью ключа К. Для установки рабочего тока в контуре a b d c ставят переключатель в положение 1. Перемещая движок регулировочного сопротивления R_р, доводят величину тока i до такого значения, при котором ЭДС нормального элемента станет равной падению напряжения на сопротивлении R_ca, т.е.

В этот момент стрелка гальванометра встанет на нуль.

После того, как рабочий ток установлен, переключатель ставится в положение 2 и проводится измерение ЭДС аналогично тому, что описано выше

Чему же равен ток в цепи термопары? В момент измерения ЭДС термопары потенциометром ток в цепи термопары равен нулю (не путать с величиной тока в рабочем контуре ), потому что ЭДС термопары и напряжение U_ab направлены навстречу друг другу и равны по величине

.

Рис. 33 Схема простейшего потенциометра.

Так же как у милливольтметра, на зажимы потенциометра со стороны термопары приходит напряжение:

Но, поскольку ток I в цепи термопары в момент измерения равен нулю, произведение так же равно нулю, и, таким образом, потенциометр, в отличие от милливольтметров, измеряет не напряжение, а ЭДС.