ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет – Теплоэнергетический

Кафедра – Автоматизация теплоэнергетических процессов

Теплотехнические измерения и приборы Лабораторная работа № 3

Изучение и поверка автоматических потенциометров

Выполнил:

студент гр. 6221 Стрижак П.А.

Руководитель: Волошенко А.В.

Томск 2005

Описание принципа действия и устройства автоматического потенциометра

Автоматические потенциометры предназначены для измерения температуры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) стандартных статических характеристик. В автоматических потенциометрах используется мерительная схема, реализующая компенсационный метод измерения значения термоЭДС термоэлектрических преобразователей.

Рисунок 1 – Измерительная схема потенциометра

Простейшая измерительная схема потенциометра изображена на рис. 1. Термоэлектрический преобразователь ТЭП подключен к делителю напряжения (реохорду) R_p таким образом, что падение напряжения U_ab между точками a и b на части делителя напряжения R_p подключено навстречу термоЭДС E_т термоэлектрического преобразователя ТЭП. Перемещая движок реохорда R_p, можно найти такое положение движка, при котором U_ab=E_т. В этом случае термоЭДС E_т уравновешена падением напряжения U_ab на участке реохорда между точками a и b, ток в цепи ТЭП отсутствует и стрелка – указатель нуль-индикатора НИ устанавливается на нулевой отметке. Значение термоЭДС термоэлектрического преобразователя определяют по шкале Ш.

ИС – измерительная схема; УС – усилитель следящей системы; ДС – электродвигатель следящей системы; ОУ – отсчетное устройство; РУ – регистрирующее устройство; ДР – электродвигатель регистрирующего устройства

Рисунок 2 – Структурная схема автоматического потенциометра

Структурная схема автоматического потенциометра приведена на рисунке 2.

На рисунке 3 приведена полная измерительная схема автоматического потенциометра. На схеме (рис. 3) приняты следующие обозначения:

R_ш – шунт реохорда, предназначенный для подгонки параллельно соединенных сопротивлений реохорда R_р и шунта реохорда R_ш до стандартного значения;

R_н – резистор для подгонки нижнего предела измерений прибора;

R_в – резистор для подгонки верхнего предела измерений прибора;

R₁ – резистор для установки номинального значения тока в рабочей ветви измерительной схемы;

R₂ – резистор для установки номинального значения тока во вспомогательной ветви измерительной схемы;

R_м – резистор для введения поправки на температуру свободных концов ТЭП;

R₀ – резистор, используемый при поверке (калибровке) прибора;

R_п – резистор для ограничения тока источника питания ИП.

Рисунок 3 – Измерительная схема автоматического потенциометра

Рабочая ветвь измерительной схемы содержит резисторы R₁, R_н, R_в, R_ш и сопротивление реохорда R_р. Вспомогательная ветвь измерительной схемы содержит резистор R₂ и, в зависимости от положения переключателя П, резистор R_м или резистор R₀. Резистор R_м представляет собой катушку, намотанную медным проводом и размещенную в непосредственной близости от места подключения в измерительную схему свободных концов термоэлектрического преобразователя. Следящая система автоматического потенциометра состоит из усилителя УС и электродвигателя ДС, механически связанного с движком реохорда R_р. Регистрирующее устройство включает пишущий узел и лентопротяжной механизм или устройство перемещения диаграммного диска ДД, связанные с электродвигателем ДР. На схеме (рис. 3) механические связи показаны пунктирными линиями.

Напряжение U_в на входе входного устройства ВУ равно разности измеряемой термоЭДС E_т термоэлектрического преобразователя ТЭП и падений напряжений от тока i₁ на части m приведенного сопротивления реохорда R_пр и сопротивления R_н, а также от тока i₂ на сопротивлении R_м или (при поверке прибора) на сопротивлении R₀:

, (1)

где - приведенное сопротивление реохорда;

- эквивалентное сопротивление реохорда;

;

- часть приведенного сопротивления реохорда левее точки с.

Если , (2)

то напряжение U_в=0, напряжение на обмотке управления ОУ электродвигателя ДС отсутствует и движок реохорда неподвижен. Стрелка – указатель прибора показывает значение измеряемой температуры.

При изменении измеряемой температуры изменяется значение термоЭДС, E_т и равенство (2) нарушается. На вход ВУ подается напряжение . Входное устройство ВУ преобразует напряжение U_в постоянного тока в напряжение U_п переменного тока. Напряжение U_п усиливается усилителем УС до значения напряжения трогания электродвигателя ДС, достаточного для приведения его в действие. Вал электродвигателя ДС с помощью механической связи перемещает движок реохорда, устанавливая пишущий узел прибора перемещаются в положение, соответствующее значению измеряемой температуры.

Если значение измеряемой температуры равно нижнему или верхнему пределу измерений автоматического потенциометра, то состоянию равновесия соответствует одно из крайних положений движка реохорда R_р. Стрелка – указатель устанавливается на отметке шкалы, соответствующей нижнему или верхнему пределу измерений.

Если измеряемая температура увеличивается, то значение термоЭДС ТЭП также увеличивается и равновесие нарушается. На входе ВУ напряжение . Напряжение с выхода усилителя УС поступает на обмотку управления ОУ реверсивного электродвигателя ДС. На обмотку возбуждения ОВ электродвигателя ДС подается напряжение 127 В переменного тока. Когда напряжение на обмотке управления ОУ достигает значения напряжения трогания, реверсивный электродвигатель ДС начинает работать и с помощью механической связи перемещает движок реохорда R_р в направлении равновесия. В момент равновесия электродвигатель ДС отключается. Стрелка – указатель устанавливается на отметке шкалы, соответствующей измеряемой температуре.

Если измеряемая температура уменьшается, то значение термоЭДС ТЭП также уменьшается и равновесие вновь нарушается. На входе ВУ напряжение . Полярность U_в в этом случае противоположна полярности напряжения U_в, которая имеет место при увеличении измеряемой температуры. Реверсивный электродвигатель ДС перемещает движок реохорда R_р в направлении, противоположном направлению его перемещения при увеличении измеряемой температуры. Движок реохорда R_р останавливается в положении, соответствующем новому состоянию равновесия. Стрелка – указатель вновь устанавливается на отметке шкалы, соответствующей измеряемой температуре.

На рис. 4 изображена структурная схема автоматического электронного потенциометра типа ДИСК-250. Входное устройство В1 предназначено для усиления термоЭДС термоэлектрического преобразователя, соответствующей нижнему пределу измерений прибора, до определенного (нормального) значения напряжения на выходе В1 устанавливается на отметке шкалы, соответствующей нижнему пределу измерений.

В1 – входное устройство; УВ – усилитель входного сигнала; ПУ – предварительный усилитель; ОУ – оконечный усилитель; УР – усилитель сигнала реохорда; ПР – устройство преобразования; В2 – выходные устройства; УС – усилитель следящей системы; ДВ – электродвигатель; ИП – источник питания

Рисунок 4 – Структурная схема автоматического прибора типа ДИСК-250

Усилитель входного сигнала УВ предназначен для коррекции (нормализации) напряжения на выходе В1 в том случае, когда термоЭДС термоэлектрического преобразователя соответствует верхнему пределу измерений прибора. Стрелка – указатель прибора при нормальном значении напряжения на выходе УВ устанавливается на отметке шкалы, соответствующей верхнему пределу измерений. Таким образом, с выхода УВ на вход усилителя УС следящей системы подается значение напряжения, нормализованное по нижнему и верхнему пределам измерений прибора.

На входе усилителя УС следящей системы из значения напряжения, поступающего с выхода УВ, вычитается усиленное усилителем сигнала реохорда УР значение падения напряжения на части реохорда R_р. Разность значений напряжения, поступающего на первый вход УС с выхода УВ, и напряжения, поступающего на второй вход УС с выхода УР, усиливается и подается на обмотку управления электродвигателя ДВ следящей системы. Когда напряжение на обмотке управления электродвигателя ДВ следящей системы достигает значения напряжения трогания, реверсивный электродвигатель ДВ начинает работать. С помощью механической связи электродвигатель ДВ перемещает движок реохорда R_р в таком направлении, при котором значение напряжения на обмотке управления электродвигателя ДВ уменьшается. В момент равенства нулю разности значений напряжения, поступающего на вход УС с выхода УВ, и напряжения, поступающего на вход УС с выхода УР, электродвигатель ДВ отключается. Стрелка – указатель прибора, связанная с движком реохорда, устанавливается на отметке шкалы, соответствующей измеряемой температуре. При изменении измеряемой температуры изменяется термоЭДС термоэлектрического преобразователя и электродвигатель ДВ вновь начинает работать, перемещая движок реохорда в положение, соответствующее измеряемой температуре. Стрелка – указатель прибора вновь устанавливается на отметке шкалы, соответствующей измеряемой температуре. Таким образом, каждому значению измеряемой температуры соответствует определенное положение движка реохорда и связанной с ним стрелки – указателя прибора.

Напряжение с выхода ПУ подается на вход устройства преобразования ПР, предназначенного для преобразования выходного напряжения ПР в унифицированный сигнал 0-5мА или 0-20мА. Напряжение с выхода УВ подается на входы выходных устройств В2, предназначенных для выполнения дополнительных функций прибора.

Схема подключений для поверки автоматических потенциометров

Схема подключений для поверки автоматического потенциометра типа ДИСК-250 представлена на рис. 5. Схема включает автоматический потенциометр АП, рабочий эталон – лабораторный потенциометр ЛП постоянного тока, нулевой термостат НТ, ртутный термометр Т, магазин сопротивлений МС и панель переключателей В. Выходной сигнал лабораторного потенциометра постоянного тока типа ПП-63 класса точности 0,05 является мерой входного сигнала автоматического потенциометра, т.е. мерой термоЭДС. Нулевой термостат предназначен для поддержания температуры соединений медных проводов МП с компенсационными проводами КП в диапазоне от 0 до 4°С. Цена деления ртутного термометра составляет 0,1°С.

ЛП – лабораторный потенциометр; МС – магазин сопротивлений; НТ – нулевой термостат; В – панель переключателей; МП – медные провода; Т – термометр; КП – компенсационные провода; АП – автоматический потенциометр

Рисунок 5 – Схема подключений для поверки автоматических потенциометров