3. Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков тонкого медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_B сопротивление милливольтметра, R_T — сопротивление термопары, R_П — сопротивление соединительных проводов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС E_ТП,

(2)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС E_ТП, но и от сопротивлений R_T, R_B, R_П. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления R_T и R_B уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах

С учетом (2)

(3)

Обозначим внешнее сопротивление цепи и выразим из (3) термоЭДС

(4)

Из (4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U_B(R_BH/R_B). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметра R_В по сравнению с внешним сопротивлением R_BH. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая θ₂ = 0. На практике при измерении температуры θ₁ холодный спай имеет θ₂≠0. Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить θ₂. Необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при θ₂. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Рис. 3. Измерение термоЭДС милливольтметром.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель—копель, т. е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рис. 4. Автоматический потенциометр для измерения температуры

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС E_д, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение U_K, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) R_П до тех пор, пока напряжение U_K не сравняется с E_д. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_K = E_д напряжение на входе усилителя равно нулю (U_K - E_д = 0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика E_д =f(Т °С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в °С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_K и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R₁- R₃, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистора R_K, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется E_д и одновременно меняется сопротивление R_K, что приводит к изменению компенсирующего напряжения U_K на ту же величину, на какую изменилось E_д. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление R_p служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает движок регулировочного резистора R_p, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ