Лабораторна робота № 5.

Градуйювання і повірка термоелектричного перетворювача в комплекті з автоматичним

потенціометром.

Ціль роботи - ознайомитися з принципом дії й устроєм термоелектричного термометра (ТЕТ); засвоїти методику визначення основних метрологічних параметрів термоелектричного перетворювача (ТЕП) і застосовуваного в комплекті з ним автоматичного потенціометра.

I. Теоретичні зведення

Термоелектричні термометри являють собою комплект, що складається з термоелектричного перетворювача і вимірювального приладу (ВП). Їхня перевірка здійснюється роздільно і містить операції, серед яких найбільш важлива і трудомістка операція визначення основної похибки.

Принцип дії ТЕП заснований на використанні термоелектричного ефекту, що полягає в тому, що в замкнутому колі, що складається з двох або декількох різнорідних провідників, виникає електричний струм, якщо хоча б два місця з'єднання цих провідників мають різну температуру. У найпростішому термоелектричному колі (рис I), що складається з двох різнорідних провідників А і В, точки з'єднання котрих (спаї) 1 і 2 мають температуру відповідно t і t₀ . результуючу термоЕРС можна представити у виді

Е_АВ = е_АВ (t) + е_ва (t₀) = е_АВ (t) + е_АВ (t₀) (1)

Т аким чином, термоЕРС ТЕП дорівнює різниці контактних термоЕРС, що виникають на кінцях провідників. Значення і знак контактної термоЕРС залежить від природи металів А і В і температури місць їхній з’єднання. Очевидно,

при t=t₀ Е_АВ(t,t₀)=0

Якщо природа провідників А і В відома, контактна термоЕРС е_АВ(t) буде функцією температури:

е_АВ(t)= f(t) і е_АВ(t₀)= f(t₀)

і формулу (1) можна записати у виді

Е_АВ(t.t₀) = f(t) - f(t₀) (2)

Вид функціональної залежності Е_АВ(t. t₀) від t і t₀ теоретично визначити неможливо, тому її встановлюють дослідним шляхом. Для різноманітних ТЕП експериментально складені градуйовочні таблиці значень термоЕРС Е_АВ(t,0⁰С) як функцій температури t при незмінному значенні температури t₀, рівної 0°С. При цьому

Е_АВ(t,t₀)= F(t) (3)

Термоелектричний перетворювач ТЕП (рис. 2) являє собою два термоелектрода -3 (тонкі провідники діаметром 0,5 або 1,2 мм) із різних металів, один кінець -1 якого зварені між собою, а до інших розімкнутих вільних кінців -4 підводяться з’єднувальні провідники. Для захисту від механічних ушкоджень і шкідливого впливу середовища, температура якого

в имірюється, армовані ізоляцією термоелектроди поміщають у захисну арматуру -2. ТЕП занурюють у середовище, температуру котрої потрібно виміряти, на глибину L, Кінці 1 -називають робочим кінцем ТЕП (він знаходиться в середовищі), а кінці 4 -вільним кінцем (він звичайно знаходиться в помешканні цеху, лабораторії). В даний час найбільше поширення одержали стандартні ТЕП із металевими термоелектродами, характеристики яких приведені в довідковій літературі. Приведені в державних стандартах ТЕП взаємозамінні і для них є стандартні таблиці з градуйовочними характеристиками. Градуйовочні характеристики деяких найбільше поширених ТЕП приведені в додатків №2.

Автоматичний потенціометр.

В основу роботи потенціометра покладено компенсаційний метод виміру. Залежно від засобу регулювання напруги, що компенсує, потенціометри діляться на неавтоматичні (переносні) і автоматичні.

Принцип компенсаційного методу заснований на компенсації термоЕРС відомою напругою, отриманою від протікання робочого струму строго визначеного значення на відомому опорі.

На рис 3 зображена принципова компенсаційна схема переносного неавтоматичного потенціометра.

Перед виміром установлюють визначене значення робочого струму I . Для цього перемикач П встановлюють у положення К(контроль). Нормальний елемент Е_N і включений послідовно з ним нуль-прилад виявляються приєднаними до зразкового резистора Rн. Якщо стрілка нуль приладу відхиляється від нульового положення, струм у компенсаційному ланцюзі регулюється за допомогою перемінного резистора Rрт доти, поки падіння напруги на Rн не буде дорівнює ЕРС нормального елемента:

Е_N = I Rрт (4)

Стрілка нуль приладу при цьому встановиться на нульову поділку шкали. Після встановлення робочого струму перемикач П перекладається в положення И (вимір).

При вимірі движок перемінного опори Rр (опір реохорда) переміщають доти, поки падіння напруги , що компенсує , на ділянці реохорда Rр між точками а і в не стане рівним що вимірюється термоЕРС:

Е(t,t₀) = IRав (5)

де Rав- опір ділянки реохорда між точками а і в . Стрілка нуль приладу при цьому займе нульове положення, що свідчить про те, що в ланцюзі термометра струму немає. Тому в ланцюзі термопреобразователя при вимірі ЭДС відсутнє падіння напруги і немає перекручування значення що вимірюється термоЕРС. Отже, на показання потенціометра не буде впливати зміну опору сполучних проводів (через зміну температури навколишнього середовища) і самого термопреобразователя.

У цьому виявляється перевага використання потенціометрів у порівнянні з мілівольтметрами.

У автоматичних потенціометрів напруга, що компенсує, регулюється не вручну, а автоматично за допомогою реверсивного двигуна. Спрощена схема автоматичного потенціометра зображена на рис. 4.

ТЕП за допомогою термоелектродних проводів А1, В1 підключений до точок а і в вимірювальної схеми потенціометра. ТермоЕРС, що вимірюється Е(t,t₀) компенсується напругою Uав яка одержана як різниця потенціалів у точках а і в.

Я кщо термоЕРС Е(t,t₀) нерівна напрузі , що компенсує , Uав, то сигнал неузгодженості (ΔU подається на вхідний пристрій підсилювача, якій перетворює цей в сигнал постійного струму в сигнал (напруга) перемінного струму. Потім сигнал перемінного струму подається на вхід підсилювача. Посилений сигнал приводить в дію реверсивний двигун (РД). Вихідний вал двигуна

обертається в ту або іншу сторону в залежності від полярності сигналу U і через систему кінематичної передачі переміщує повзун Rр реохорда, змінюючи напругу , що компенсує , Uав доти, поки воно не стане рівним термоЕРС що вимірюється. Одночасно з цим рухається каретка з укажчиком і пером самописа, що переміщаються щодо шкали приладу.

У схемах автоматичних потенціометрів, призначених для виміру температури, передбачена можливість автоматичного введення поправки при відхиленні температури t₀ вільних кінців ТЕП від градуйованої.

Для цієї цілі у вимірювальну схему включають мідний резистор Rм, конструктивно розташований на клемнику приладу в місці підключення термоелектродних проводів A1 і B1. Інші резистори вимірювальної схеми автоматичного потенціометра виготовлені з манганінової проволоки.

Вони мають таке призначення: ТЕ - струмоотвід;

Rр- реохорд, від положення движка якого залежать потенціал точки а і, отже, величина напруги , що компенсується;

Rш -шунт реохорда для підгонки опору реохорда;

Rн - резистор для установки початкового значення шкали;

Rб- баластовий резистор для установки визначеного значення опору верхньої гілки вимірювальної схеми, а отже, і робочого струму I₁;

Rc -резистор для контролю робочого струму I₂ при градуйюванні або повірці приладу ;

R'рт і R”рт - резистори відповідно для обмеження і регулювання робочого струму при градуйюванні і повірці.

Схема живиться від джерела стабілізованого живлення (ИПС), що забезпечує сталість робочого струму I₁ і I₂ у вимірювальній схемі приладу.

При нормальній температурі (20⁰C) навколишнього повітря напруга між точками а і в залежить тільки від положення повзуна реохорда і кожному значенню термоЕРС Е(t,t₀) відповідає визначене положення повзуна реохорда, при якому напруга , що компенсує , Uав дорівнює E(t,t₀).

Збільшення температури t₀ до t'₀ вільних кінців термоперетворювача в порівнянні з градуйовочною t₀= 20°С спричиняє зменшення термоЕРС E(t,t'₀) при одночасному збільшенні опору резистора Rм . Якби все опори вимірювальної схеми залишалися незмінними, порушувалася б рівність:

E(t,t₀')  Uав, де Uав = Uac-Ucв,

і для компенсації меншого значення термоЕРС Е(t,t'0 ) необхідно зменшити розмір Uав. Цього можна досягти, зменшуючи Uас=I1Rас, тобто переміщуючи движок реохорда (точка а) уліво, зменшуючи частину опору реохорда на ділянці еа, тобто движок реохорда усунулася б уліво на відстань, що відповідає значенню Е(t'0 t0), і потенціометр при постійній температурі t робочого кінця термопреобразователя показав би занижену температуру.

Проте збільшення опору резистора Rм підвищує падіння напруги Uсв, що зменшує напруга , що компенсує , на розмір (Uав. Щоб движок зберіг старе положення і прилад показував температуру t робочого кінця термопреобразователя незалежно від температури його вільних кінців, необхідно, щоб Δ Uав = Е(t₀',t₀), тобто зміна напруги , що компенсує , (Uав повинна бути рівно зміні термоЕРС, викликаному зміною температури вільних кінців у порівнянні з градуировочный, що досягається добором опору резистора Rм