Закрыть
Регистрация
Закрыть
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Регистрация
Разделы документации
Техническое регулирование. Стандартизация
Метрология
Подтверждение соответствия
Справочники
Учебно-методическая литература

Глава вторая. Измерение температуры


2-6. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ

Магнитоэлектрический милливольт­метр является чувствительным вторичным прибором. Для измерения температуры шкала его градуируется непосредственно в °С

а) Принцип действия и устройство милливольтметра

Работа милливольтметра основана на взаимодействии магнитного поля, образуемого проводником, по которому протекает электрический ток, создаваемый термоэлектри­ческим термометром, с магнитным полем находящегося в приборе постоянного магнита.

Проводник в виде прямоугольной рамки (рис. 2-22),

состоящей из нескольких витков тонкой изолированной проволоки и могущей поворачиваться на опорах вокруг вертикальной оси 0 - 0, помещается в магнитное поле постоянного магнита параллельно силовым линиям.

При прохождении тока через рамку появляется магнит­ное поле, перпендикулярное ее плоскости, которое, взаимо­действуя с полем основного магнита, образует две одина­ковые силы F, действующие согласно правилу левой руки на боковые (активные) стороны рамки в противоположных направлениях. Сила F(Н) находится из выражения

где nчисло витков рамки;

l – активная высота рамки, м ;

B– магнитная индукция, Т ;

Iсила тока , А.

В результате, на рамку воздействует вращающий момент MВ (Н·м), определяемый по формуле

где r радиус рамки, м.

Под влиянием этого момента рамка стремится повер­нуться вокруг оси до совпадения по направлению ее маг­нитного поля с полем постоянного магнита. Движение рамки вызывает закручивание скрепленной с ней одним концом спиральной пружинки (на рис. 2-22 не показана), противодействующей повороту рамки.

При отклонении рамки 1 от плоскости, параллельной направлению магнитных линий постоянного магнита 2, на угол φ (рис. 2-23, а) значение MВ будет ввиду разложе­ния силы F уменьшаться и выражение (2-28) примет вид:

Для обеспечения постоянства MВ при различных значе­ниях φ, что необходимо для получения равномерной шкалы прибора, рамка 1 помещается в концентрированное ра­диальное магнитное поле (рис. 2-23, б),

образованное при помощи стальных полюсных наконечников 3 и цилиндри­ческого сердечника 4, расположенного внутри рамки. Полюсные наконечники отделены друг от друга вклады­шами 5 из немагнитного материала.

Устройство магнитоэлектрического милливольтметра показано на рис. 2-24.

Подковообразный постоянный маг­нит 1 из легированной стали снабжен полюсными наконеч­никами 2 с цилиндрической выточкой, между которыми неподвижно укреплен цилиндрический сердечник 3. В кольцевом воздушном зазоре шириной около 2 мм, об­разованном полюсными наконечниками и сердечником, изготовленными из мягкой литой стали, расположены боковые стороны подвижной рамки 4, состоящей из 100 - 300 витков медной или алюминиевой изолированной про­волоки диаметром 0,07 - 0,08 мм.

Рамка жестко скрепленная с указательной стрелкой 5 образует подвижную часть прибора, которая может поворачиваться вокруг оси сердечника благодаря сидя­щим в рамке с торцевых сторон двум стальным кернам 6 опирающимся на укрепленные в стойке 7 агатовые подпят­ники 8. Рядом с кернами диаметром около 1 мм и углом заточки 60° расположены две спиральные пружинки 9 из бериллиевой бронзы, внутренние концы которых прикреп­лены к рамке, а наружные у верхней пружинки - к оси рычага 10 и у нижней - к штифту неподвижной стойки. С этими же пружинками соединены концы обмотки рамки и два зажима 11, служащие для подключения термоэлек­трического термометра.

Последовательно с рамкой включен добавочный манга­ниновый резистор 12, определяющий заданный диапазон показаний прибора. В свободное пространство между полюсными наконечниками помещены немагнитные вкла­дыши 13. Указательная стрелка прибора, выполненная из алюминиевой трубки, уравновешивается передвижными противовесами 14, сидящими на двух балансировочных усиках с нарезкой. Благодаря противовесам центр тяже­сти подвижной части располагается по оси сердечника (рамки).

При соединении милливольтметра с термоэлектричес­ким термометром через рамку, резистор и спиральные пружинки протекает ток, вызывающий поворот рамки и стрелки вокруг оси сердечника. Одновременно с переме­щением рамки происходит закручивание спиральных пру­жинок, создающих противодействующий момент, величина которого по мере увеличения угла поворота рамки возрас­тает и приводит подвижную часть в состояние равновесия. Таким образом, угол поворота рамки (стрелки) прибора, равный углу закручивания пружинок, зависит от силы тока, которая в свою очередь зависит от термо - э. д. с. термометра.

В магнитоэлектрических приборах высокой чувстви­тельности, называемых гальванометрами и применяемых, в частности, для определения разности потенциалов между двумя точками электрической цепи или отсутствия тока в каком-либо участке цепи (нулевые гальванометры), крепление рамки и подвод к ней тока производятся посредством двух вертикальных ленточных растяжек шириной 0,1 - 0,3 и толщиной 0,01 - 0,025 мм, изготовленных из бериллиевой бронзы (рис. 2-25). Скручивание растяжек по мере поворачивания рамки приводит к образованию противодей­ствующего момента.

Согласно выражениям (2-27) и (2-28) вращающий момент MВ действующий на рамку милливольтметра при протекании по ней тока, ра­вен:

Величины r, n и l для данного прибора постоянны; следовательно, уравнение (2-30) примет вид:

где C1 - постоянная, харак­теризующая рамку милли­вольтметра, равная r ·n·l l.

Противодействующий мо­мент МП (Н·м) спиральной пружинки или растяжки, появляющийся при их за­кручивании, равен:

p>

C2 - постоянная, харак­теризующая упругий элемент;

P - модуль упругости материала при растяжении или сдвиге;

φ - угол закручивания .

В состоянии равновесия подвижной части милливольт­метра имеем:

Магнитная индукция В и модуль упругости материала Р зависят от температуры, однако отношение их температурных коэффициентов практически равно единице. Бла­годаря этому формула (2-34) может быть представлена в виде

Таким образом, угол поворота рамки (стрелки) милли­вольтметра пропорционален силе тока в измерительной цепи.

В зависимости от развиваемой термометром термо - э. д.с. EAB(t,t0) сила тока I в замкнутой измерительной цепи равна:

где R - общее сопротивление цепи.

Заменяя в уравнении (2-35) величину I из уравнения (2-36), получаем:

Следовательно, при постоянном сопротивлении изме­рительной цепи угол отклонения указательной стрелки милливольтметра изменяется пропорционально термо-э .д.с. термометра.

На основании градуировочных характеристик термо­электрических термометров градуировка шкал милли­вольтметров производится непосредственно в °С. Обо­значение градуировочной характеристики термометра, для работы с которым предназначается милливольтметр, обычно указывается на циферблате прибора.

В милливольтметрах с креплением рамки на кернах дополнительно появляются момент сил трения в опорных подпятниках и момент силы тяжести, возникающий в слу­чае отклонения центра тяжести подвижной части от оси вращения. Оба эти момента существенно влияют на точ­ность измерений.

Момент сил трения в подпятниках направлен против движения рамки и является основной причиной появления вариации показаний. Рамка при этом приходит в положе­ние равновесия лишь после легкого постукивания по кор­пусу прибора.

Уменьшение момента силы тяжести достигается балан­сировкой подвижной части милливольтметра. Для этого два небольших гаечных противовеса стрелки (рис. 2-24 и 2-25) перемещают по резьбе балансировочных усиков до наступления равновесия системы.

Предварительная установка от руки стрелки милли­вольтметра на нулевую отметку шкалы производится при помощи корректора нуля, изменяющего в небольших пределах угол закручивания верхней спиральной пру­жинки (растяжки). Это устройство показано на рис. 2-24. Для защиты подвижной части прибора от механических воздействий при его транспортировке и монтаже приме­няется механический или электрический арретир.

Механическим арретиром рамка застопоривается, а электрическим ее обмотка замыкается накоротко. В послед­нем случае при вынужденных колебаниях рамки в ней наводится э. д. с, вызывающая ток, который, взаимодей­ствуя с полем постоянного магнита, создает тормозящий момент. Головки винтов корректора нуля и арретира нахо­дятся на наружной поверхности корпуса прибора. При отсутствии у милливольтметра арретира можно всегда применить электрическое арретирование, замкнув зажимы прибора куском провода.

б) Сопротивление измерительной цепи милливольт­метра

Общее сопротивление измерительной цепи R слагается из сопротивлений милливольтметра Rм и внешней соеди­нительной линии (включая сопротивление термоэлектри­ческого термометра) Rл, т. е.

Значение этого сопротивления может быть измерено или подсчитано.

Электрическое сопротивление цилиндрического провод­ника Rпр (Ом) при температуре 0 °С определяется по фор­муле

где l - длина проводника, м;

ρ - удельное электрическое сопротивление провод­ника, Ом •мм2/м;

d - диаметр проводника, мм.

Сопротивление милливольтметра Rм слагается из со­противлений рамки Rр и добавочного резистора RД, включенного в цепь рамки, т. е.

Сопротивление добавочного резистора служит для подгонки заданного диапазона показаний и уменьшения влияния на прибор колебаний температуры окружающего воздуха. Добавочный резистор понижает температурный коэффициент электрического сопротивления милливольт­метра αм, который определяется по формуле

где αр, - температурный коэффициент рамки прибора, равный 4,26 -10-3 К -1.

Сопротивление внешней линии Rл устанавливается в зависимости от типа термоэлектрического термометра равным 0,6; 5 или 15 Ом (при этом сопротивлением самого термометра пренебрегают). Градуировка шкалы милли­вольтметра в 0 °С производится при определенном зна­чении Rл, которое указывается на циферблате. Если при установке термометра сопротивление соединительной ли­нии окажется меньше указанного, то недостающее сопро­тивление добавляется последовательным включением в ли­нию подгоночного манганинового резистора.

в) Поправки к показаниям милливольтметров

При измерении температуры магнитоэлектрическим милливольтметром в комплекте с термоэлектрическим термометром к показаниям милливольтметра вводятся следующие поправки:

  • основная;
  • на изменение температуры свободных концов термо­метра;
  • на изменение сопротивления измерительной цепи мил­ливольтметра.

Основная поправка учитывает погрешность показаний милливольтметра, возрастающую вследствие появления остаточных деформаций спиральных пружинок или растя­жек, износа трущихся частей и т. п. Значения основной ноправки устанавливаются в результате поверки милли­вольтметра.

Градуировка шкалы милливольтметра производится обычно при температуре свободных концов термометра 0 °С. Если при измерении эта температура отклонится от градуировочного значения t0 и будет равна t'0 , то при одинаковой температуре рабочего конца t развиваемые термометром термо - э. д. с. ЕAB (t, t0) и ЕАВ (t, t'0) будут также различны. Это потребует введения к показаниям милливольтметра поправки, значение которой зависит от температуры t'0. Рассмот­рим, как изменяется термо-э. д. с. термометра при из­менении температуры сво­бодных концов. На основа­нии уравнения (2-14) имеем:

Вычитая из первого равенства второе, после сокра­щения получаем

Правая часть этого уравнения равна EAB(t'0, t0), поэтому его можно представить в виде

Таким образом, поправка на изменение температуры свободных концов равна термо –э . д. с. EAB(t'0, t0), разви­ваемой термометром при температурах его спаев t'0 и t0. Для различных типов термометров эта поправка в °С определяется при помощи их градуировочных характе­ристик. Указанный метод введения поправки на измере­ние температуры свободных концов термометра представ­лен на рис. 2-26.

Практически при измерениях поправка на температуру свободных концов в случае ее постоянства может вво­диться путем перестановки корректором нуля указатель­ной стрелки отключенного от термометра милливольт­метра на отметку шкалы, отвечающую новой температуре свободных концов.

Электрическое сопротивление измерительной цепи мил­ливольтметра возрастает с повышением температуры окру­жающего воздуха, что, как видно из уравнения (2-37), приводит к уменьшению показаний прибора при той же термо - э. д. с. термометра. Градуировка шкалы милли­вольтметра производится при нормальной температуре воздуха, равной 20 °С. Несоблюдение этого условия при измерении требует введения поправки, для чего в новых условиях определяется общее сопротивление измеритель­ной цепи.

При отклонении температуры проводника от началь­ного значения новое его электрическое сопротивление R'пр определяется по формуле

где R'пр - начальное сопротивление проводника, Ом;

α - температурный коэффициент электрического со­противления проводника, К-1;

tпр и t'пр - начальное и новое значения температуры проводника, °С.

По формуле (2-43) подсчитываются новые значения сопротивлений отдельных частей измерительной цепи..

На основании уравнения (2-37) показания милли­вольтметра в условиях измерения φ' и градуировки φ при одной и той же термо - э. д. с. ЕAB (t, t0), развиваемой термометром, будут равны:

где R и R' - сопротивления измерительной цепи при гра­дуировке и измерении, Ом.

После деления первого уравнения на второе и решения относительно φ получим:

Следовательно, отношение R'/R есть поправочный множитель к показаниям милливольтметра, выражен­ным в мВ, при отклонении общего сопротивления изме­рительной цепи от градуировочной величины.

г) Промышленные милливольтметры

Выпускаются щитовые магнитоэлектрические милли­вольтметры типов М-64, МР-64-02; М1730 и М1731. 1 (1 ГОСТ 9736-68. Милливольтметры и логометры для измерения неэлектрических величин.).

Милливольтметр типа М-64 (рис. 2-27)

- показывающий прибор с профильной шкалой длиной 130 мм и прямоугольным корпусом для утопленного мон­тажа. Класс точности прибора 1,5.

Электрическая схема милливольтметра с термоэлектрическим термометром Т и соединительной линией Rп показана на рис. 2-28.

При­бор состоит из подвижной рамки Rр, закрепленной на кер­нах и пружинных подпятниках, добавочного резистора Rд, термокомпенсатора, содержащего полупроводниковый тер­морезистор с отрицательным температурным коэффи­циентом и шунтирующий резистор .

Добавочный резистор, определяющий диапазон пока­заний милливольтметра, имеет различное сопротивление, зависящее от типа термоэлектрического термометра, для работы с которым предназначен прибор. Термокомпенса­тор служит для понижения влияния на показания при­бора изменений температуры окружающего воздуха. Но­минальные сопротивления элементов схемы составляют: рамки 130, добавочного резистора 0 - 200, терморезистора 100 и шунтирующего резистора 60 Ом. Милливольтметр рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха 10 – 35 °С и относительной влажности до 80%. Вариация показаний прибора не превышает основной погрешности.

Присоединение к милливольтметру термоэлектриче­ского термометра Т производится при помощи удлиняю­щих проводов, благодаря чему свободные концы термометра располагаются на зажимах прибора и имеют температуру Окружающего воздуха.

Милливольтметр снабжен корректором нуля с голов­кой, расположенной на передней стороне прибора, и двумя арретирами - механическим и электрическим. Зажимы для присоединения термометра и головки арретиров находятся на задней стороне корпуса. С целью устранения отсвечивания смотрового стекла передняя сторона при­бора выполнена с небольшим наклоном.

Милливольтметр имеет металлический корпус, служа­щий также экраном для защиты от влияния внешних магнитных полей. Габариты прибора 200х100х233 мм и масса 3 кг.

Установка милливольтметра показана на рис. 2-29.

Прибор 1 вставляется в отверстие щита 2 и закрепляется с помощью двух специальных кронштейнов 3, вводимых в пазы пластин на боковых стенках корпуса. Кронштейн, поворачивающийся на оси 4, прижимается к щиту упор­ным болтом 5, ввинчиваемым в сидящую на кронштейне гайку.

Милливольтметр типа М-64 выпускается для всех стандартных термоэлектрических термометров. Диапазон его показаний и сопротивление внешней соединительной линии приведены в табл. 2-11.

Милливольтметр типа МР-64-02 является показывающим прибором с сигнализирующим устрой­ством. Форма его корпуса и шкалы те же, что и у милли­вольтметра типа М-64. Класс точности прибора 1,5. Погрешность срабатывания сигнализирующего устройства и вариация показаний прибора не превышают основной погрешности. Милливольтметр имеет конечные значения шкалы для термометров типа ТПП 1600, типа ТПР 1600 и 1800, типа ТХА 600, 800, 1100 и 1300, типа ТХК 300, 400 и 600 °С. Габариты прибора 200х100х275 мм и масса 3,5 кг.

Милливольтметры типов М1730 и М1731 соответственно класса точности 1 и 0,5 являются показы­вающими миниатюрными узкопрофильными приборами (рис. 2-30),

предназначенными для измерения температуры. Эти приборы входят в состав унифицированного комплекса аналоговых сигнализирующих контактных приборов (АСК), относящегося к ГСП.1 (1 Входящие в АСК приборы, получившие широкое применение в промышленных установках, включают в себя набор унифицирован­ных средств измерения электрических и неэлектрических величин, который обеспечивает построение необходимых систем, осущест­вляющих различные функции контроля технологических процессов.). Диапазон их показаний 0—75 мВ.

Они имеют шкалу длиной 120 мм со световым указателем отсчета. Подвижная часть приборов укреплена на растяж­ках; время ее успокоения 1,5 - 4 с. Приборы приспособ­лены для утопленного монтажа на щитах и пультах. Габариты милливольтметров 160х30х272 мм и масса 1,3 кг. Допускаемая температура окружающего воз­духа - 30 - 50 °С и относительная влажность 30 - 90%. Отклонение температуры воздуха от 20 °С в ука­занных пределах вносит на каждые 10 °С дополнительную погрешность ±0,8% - для прибора типа М1730 и ±0,4% - для прибора типа М1731.

Оба указанных милливольтметра могут иметь контакт­ное или бесконтактное сигнализирующее устройство. Бесконтактное сигнализирующее устройство содержит два цветных светофильтра - левый (зеленый) и правый (крас­ный), расположенные за шкалой и устанавливаемые в заданном ее диапазоне. При отклонении измеряемой температуры за установленные пределы луч светового ука­зателя, попадая на соответствующий светофильтр, изме­няет свой цвет. Контактное сигнализирующее устройство состоит в основном из двух фоторезисторов, двух под­вижных шторок, осветителя и двух электромагнитных реле.1 (1 Кроме указанных выпускаются и другие типы милливольт­метров и гальванометров постоянного тока.) .



Возврат к списку