Краткие сведения о термопреобразователях сопротивления

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Астраханский государственный технический университет»

 

Кафедра «Автоматика и управление»

 

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЕРКА ЛОГОМЕТРА

 

Методические указания к лабораторным

занятиям по курсу «Технические измерения и приборы» для студентов направления 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»

 

 

Астрахань 2016

 

Авторы: ассистент каф. АиУ Павлова Т.С.

Рецензент: зав. кафедры АиУ, к.т.н., доцент Кокуев А.Г.

 

 

Исследование и поверка логометра: метод. указания к лабораторным занятиям по курсу «Технические измерения и приборы» для студентов направления 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» / АГТУ; Сост.: Т.С. Павлова.- Астрахань, 2016.-16с.

 

 

Указания содержат сведения необходимые для изучения устройства и принципа действия магнитоэлектрического логометра, приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию.

 

Методические указания утверждены на заседании кафедры «Автоматизация и управление»

«11» апреля 2016 г, протокол № 4.

 

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1.1 Цель работы

1.1.1 Изучение устройства и принципа действия магнитоэлектрического логометра. Проверка технического состояния логометра типа Л-64

1.1.2 Приобретение практических навыков по экспериментальному исследованию логометра Л-64

1.1.3 Измерение температуры объекта с помощью терморезисторного комплекта и оценка точности результатов измерения.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.

2.1 Задание для самостоятельного изучения.

2.1.1 Ознакомиться с устройством, принципом действия магнитоэлектрического логометра и схемами подключения (двух и трехпроводная) термометров сопротивления ТСМ к логометру.

2.1.2 Ответить на контрольные вопросы и подготовить бланк отчета.

2.1.3 Изучить техническое описание и инструкцию по эксплуатации логометра типа Л-64.

2.2. Лабораторное задание

2.2.1 Ознакомиться с маркировкой на шкале прибора. Заполнить таблицу 1 техническими характеристиками прибора

2.2.2 Подготовить логометра к работе и проверить его техническое состояние.

2.2.3 Исследовать влияние изменения напряжение U источника питания на показания логометра в одной, произвольно выбранной оцифрованной точке шкалы прибора (тип схемы подключения ТСМ к логометру двух или трехпроводная выбирается студентом самостоятельно).

2.2.4 Исследовать влияние изменения сопротивления Rл на показания логометра для двух и трехпроводной схем подключения ТС.

2.2.5 Определить опытным путем для измерительного комплекта ТСМ - логометр инструментальную погрешность однократного измерения температуры объекта (печи) терморезисторным комплектом.

2.2.6 Экспериментально определить погрешность измерения температуры терморезисторным комплектом и установить его класс точности.

 

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Лабораторный стенд, в состав которого входит изучаемый логометр

3.2 Переносной магазин сопротивлений, используемый в качестве меры сопротивления.

3.3 Соединительные провода

3.4 Добавочные сопротивления линий

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Логометры являются магнитоэлектрическими приборами и широко распространены в практике для измерения температуры в комплекте с термопреобразователями сопротивления при тем­пературе окружающего воздуха от 5 до 50°С и относительной влажности до 80% при температуре 25°С

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Сопротивление внешней соединительной линии равно 15 Ом.

Основная погрешность логометра на всех отметках шкалы не превышает ±1,5% от диапазона измерений".

Вариация показаний логометра не превышает абсо­лютного значения допускаемой основной погрешности.

Номинальное напряжение питания логометра 4В постоянного тока.

При отклонении питания или при разрыве цепи пита­ния указатель логометра выводится за начальную отметку шкалы (влево).

Электрическое сопротивление изоляции измерительной цепи логометра относительно корпуса при нормальных ус­ловиях температуры и влажности не менее 100 МОм.

Изоляция между измерительной цепью и корпусом логометра выдерживает испытательное напряжение 0,5 кВ.

Схема логометра показана на рис. 1

Рис.1

Логометр состоит их двух жестко закрепленных между собой рамок, изготовленных из медной проволоки, сопротивлением r₁ и r₂. на общую ось рамок закрепляется стрелка прибора.

В воздушном кольцевом зазоре между цилиндрическим сердечником и полюсными наконечниками вращаются активные стороны рамок. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерен и магнитное поле здесь распределено неравномерно. Так зазор по горизонтальной оси минимален и увеличивается по обе стороны этой оси. В соответствии с этим магнитная индукция в центре максимальна и уменьшается примерно по квадратичному закону по мере удаления от центра к краям полюсных наконечников. Таким образом, магнитная индукция является функцией угла поворота рамок, т.е. токи I₁ и I₂,проходящие соответственно в рамках r₁ и r₂, направлены так, что возникающие в них моменты М₁ и М₂ направлены навстречу друг другу:

М₁=С₁В₁I₁; М₂=С₂В₂I₂

где С₁, С₂ – постоянные коэффициенты, зависящие от геометрии рамок; В₁, В₂ – магнитная индукция, пронизывающая рамки.

В логометре уравновешивание момента, действующего в одной из рамок, происходит за счет момента другой рамки. Для исключения погрешности измерения токопроводы рамок выполняют безмоментными, например, из тонкой золотой ленты или маломоментными – из бронзовой проволоки малого диаметра.

Пусть при изменении сопротивления R_t, увеличился ток I₁, что приводит к увеличению момента М₁, который начинает поворачивать подвижную систему против часовой стрелки. При этом окажется, что активные стороны рамки r₁ будут перемещаться из поля большей магнитной напряженности в поле меньшей напряженности. Активнее стороны рамки r₂, наоборот, из поля меньшей магнитной напряженности в поле с большой напряженностью. При этом момент М₁ будет уменьшаться, а момент М₂ – расти, вследствие уменьшения В₁ и роста В₂. при некотором угле поворота подвижной системы наступит состояние равновесия, т.е.

М₁=М₂

С₁В₁I₁= С₂В₂I₂

откуда

или , из этого следует, что угол поворота подвижной системы определяется отношением (по-гречески «логус») двух токов, что объясняет название прибора – логометр.

Выражаем токи I₁ и I₂ через напряжение питания U и соответствующие сопротивления, имеем;

,

r₁, r₂, R₁, R₂, R_л = const, поэтому

Таким образом, логометр измеряет отношение токов, генерируемых одним источником. Изменение его напряжения в определенных пределах не влияет на показания прибора. Это его преимущество.

Так как рамки выполнены из меди, то при изменении температуры окружающей среды сопротивление рамок меняется. Для уменьшения влияния температуры последовательно с сопротивлениями r₁, r₂ рамок включены добавочные резисторы R₁, R₂ выполненные из манганина. Значение сопротивлений R₁ и R₂ много больше сопротивлений r₁ и r₂ рамок. Но при этом из-за уменьшения токов уменьшается чувствительность логометра. Для увеличения чувствительности логометра и уменьшения температурного коэффициента используют схему симметричного неравновесного моста, в диагональ которого включены рамки логометра (рис. 2)

Рис.2

 

Рамки логометра включены в диагональ моста, составленного из постоянных резисторов R₁, R₂, R₃ и R₆ и термометра сопротивления R_t. Средняя точка между рамками, соединена через последовательно включенные медный резистор R₅ и манганиновый R₄ с вершиной моста, к которой подведен один провод источника питания, второй провод источника питания, подключен к противоположной вершине. Резистор R₄ - сопротивление для изменения пределов измерения (угла отклонения подвижной системы), а R₅ – для температурной компенсации.

Для обеспечения наибольшей чувствительности мостовая схема симметрична, т.е. R₂=R₃. Резистор R₁ выбран так, чтобы мост находился в равновесии при сопротивлении термометра сопротивления R_t, соответствующему значению температуры в середине шкалы прибора. При этом из-за равенства потенциалов на вершинах моста a и b падение напряжения на резисторах R₂ и R₃, а значит и силы токов в рамках R_р1, R_р2 равны, и обе рамки располагаются в магнитном поле симметрично относительно оси полюсных наконечников.

При увеличении сопротивления термометра сила тока I₂ в рамке R_р2 уменьшится, а в рамке R_р1 соответственно увеличиться. При уменьшении сопротивления термометра произойдет обратное явление, то есть I₂ увеличиться, а I₁ уменьшится.

Под действием возникающей в обоих случаях разности вращающихся моментов, магнитная система поворачивается вправо или влево до наступления нового равновесия. Из головки термометра выходят три провода; два из них через уравнительные манганиновые катушки R_вн1 и R_вн2, а третий подсоединен к источнику питания. Этот провод, входящий в диагональ питания моста не имеет уравнительной катушки, так как сопротивление провода не сказывается на работе логометра.

Таким образом, плечи R₁+ R_вн1 и R₂+ R_вн2+ R₆ смежные, следовательно, изменение сопротивления соединительных проводов из-за изменения температуры окружающей среды почти не влияет на результаты измерения. При проверке правильности подгонки сопротивления соединительных проводов их закорачивают на зажимах головки термометра и вместо R_t включают R_э, для чего провод, подводящий ток к зажиму 1, подключают к зажиму 2. в этом случае при включении питания стрелка логометра должна остановиться на контрольной отметке.

Одинаковое изменение сопротивления рамок логометра при изменении температуры окружающей среды не влияет на показание прибора только при равновесии мостовой схемы. Температурную погрешность прибора компенсируют соответствующим выбором резистора R₅.

Если температура t отличается от градуировочной t₀ то

где - сопротивление резистора при температуре градуировки; -температурный коэффициент электрического сопротивления меди.

Сопротивление резистора

,

где R=R₂=R₃, R_р⁰ – сопротивление рамок логометра при температуре t₀.

При известных R_р⁰, R, R₄, R₁ и R_t можно определить R₅⁰, а следовательно R₅ для диапазона (t₀÷t). В формулу входит R_t, поэтому полную компенсацию температурной погрешности можно получить для двух определенных значений R_t.

Эта схема позволяет для логометров класса точности 1,5 иметь дополнительную погрешность не более ± 0,75% от значения диапазона измерения на каждые 10⁰С изменения температуры окружающей среды в пределах от 5 до 50⁰С. Классы точности промышленных логометров 0,5; 1; 1,5;, 2; 2,5

 

Логометр может быть использован в трехпроводной и двухпроводной схемах включения.

При двухпроводной схеме включения (рис. 3) сопро­тивление обоих проводов, соединяющих термопреобразователь сопротивления с логометром, вместе с катушкой для подгонки сопротивления линии, подключаемой к зажиму «3» логометра, должно быть равно половине сопротивления линии, указанно­го на циферблате логометра.

Необходимая, величина сопротивления линии в этом случае достигается путем уменьшения сопротивления катушки подключенной к зажиму «3» логометра.

Сопротивление катушки, подключаемой к зажиму «2» должно быть оставлено без изменения.

Рис 3 Схема электрическая соединений логометра при двухпроводном включении термопреобразователя сопротивления.

1—колодка логометра.

t°—термопреобразователь сопротивления

 

При трехпроводной схеме включения (рис. 4) каждый из проводов линии, соединяющий преобразователь сопротивления с логометром, вместе со своей катушкой для подгонки сопротивления линии должен иметь сопротивление, равное половине сопротивления линии, указанного на циферблате логометра (5 Ом).

 

Рис 4. Схема электрическая соедине­ний логометра при трехпроводном включении термопреобразователя со­противления

1—колодка логометра. t°—термопреобразователь сопротивления

 

Необходимая величина сопротивления каждого из проводов линии достигается путем сматывания части провода с соответствующей катушки для подгонки сопротивления линии.

Правильность подгонки линии следует контролировать путем измерения ее сопротивления мостом постоянного тока класса не ниже 0,05.

 

Краткие сведения о термопреобразователях сопротивления

 

Термометры сопротивления. Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.

Металлические термометры сопротивления изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещенной в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического со противления от температуры (для медных термометров от —50 до +180 °С, для платиновых от —200 до +750°С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.

Для защиты термометров сопротивления от воздействия измеряемой среды применяют защитные чехлы Приборостроительная промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на эксплуатацию термометров при различном давлении (от атмосферного до 500•10⁵ Па), различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью (от 40 с до 4 мин) и глубиной погружения (от 70 до 2000 мм).
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем проволочных термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.
Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом - электрическим сопротивлением, для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости выходной сигнал термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь НП-СЛ1-М. В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока.

 

 

Рис. 5 Термометр сопротивления: 1 – проволока; 2— корпус.

 

 

Рис. 6. Общий вид термометра сопротивления.