Компенсационный метод измерения термо – ЭДС

Напомним, что компенсационный метод измерения ЭДС заключается в том, что действие неизвестной величины уравновешивается величиной известной. Компенсационный метод измерения ЭДС основан на уравновешивании измеряемой ЭДС падением напряжения на участке цепи (на переменном резисторе).

Рассмотрим схему (рис. 32), которая содержит источник постоянного тока, (например, батарею гальванических элементов) переменные сопротивление R_аb и R_р, термопару, гальванометр G. Переменное сопротивление включено в цепь не как реостат, а как делитель напряжения. (Делитель напряжения называется в электротехнике потенциометром, отсюда и название самого прибора для измерения ЭДС – потенциометр). В контуре a – b – d - c протекает электрический ток i. На участке а - b возникает падение напряжение U_ab=iR_ab. Мы можем изменять сопротивление R_ab до тех пор, пока падение напряжения станет равным величине ЭДС термопары (в этом момент стрелка гальванометра станет на 0), т.е.

ε_t = U_ab=i R_ab

Неизвестная величина ЭДС оказывается равной известному падению напряжения. Как видим, точность метода напрямую зависит от точности, с которой задан ток i. Поскольку ток i зависит от ЭДС батареи, которая с течением времени меняется в результате разрядки, поляризации электродов и т. д., возникает необходимость периодически корректировать величину тока i переменным регулировочным сопротивлением R_p.

Рис. 32. Схема, иллюстрирующая компенсационный метод измерения термо – ЭДС.

Контроль силы тока с помощью миллиамперметра, включенного в контур, не дает необходимой точности. Для установки и корректировки рабочего тока i используются так называемые нормальные элементы.

Нормальный элемент представляет собой обратный ртутный гальванический элемент. Он характеризуется очень малой разрядной мощностью (поэтому не может использоваться в качестве самостоятельного источника тока) и высокой стабильностью развиваемой ЭДС. Значение его ЭДС задано с очень высокой точностью (ЭДС нормального элементаε_н.э.=1.0186 В) и практически не меняется с течением времени. При правильной эксплуатации в течении нескольких десятков лет ЭДС нормального элемента меняется не более, чем 0.1%. Температура окружающей среды так же почти не влияет на величину его ЭДС.

Рассмотрим схему, изображенную на рисунке 33. От предыдущей она отличается наличием еще одного контура, содержащего нормальный элемент, а так же наличием постоянного сопротивления R_ab. Гальванометр G может быть поочередно включен либо в цепь нормального элемента, либо в цепь термопары c помощью ключа К. Для установки рабочего тока в контуре a b d c ставят переключатель в положение 1. Перемещая движок регулировочного сопротивления R_р, доводят величину тока i до такого значения, при котором ЭДС нормального элемента станет равной падению напряжения на сопротивлении R_ca, т.е.

В этот момент стрелка гальванометра встанет на нуль.

После того, как рабочий ток установлен, переключатель ставится в положение 2 и проводится измерение ЭДС аналогично тому, что описано выше

Чему же равен ток в цепи термопары? В момент измерения ЭДС термопары потенциометром ток в цепи термопары равен нулю (не путать с величиной тока в рабочем контуре ), потому что ЭДС термопары и напряжение U_ab направлены навстречу друг другу и равны по величине

.

Рис. 33 Схема простейшего потенциометра.

Так же как у милливольтметра, на зажимы потенциометра со стороны термопары приходит напряжение:

Но, поскольку ток I в цепи термопары в момент измерения равен нулю, произведение так же равно нулю, и, таким образом, потенциометр, в отличие от милливольтметров, измеряет не напряжение, а ЭДС.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ

Автоматические потенциометры, так же как и пирометрические милливольтметры, предназначены для измерения температуры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями.

Принцип действия автоматического потенциометра не отличается от принципа действия потенциометра с ручным уравновешиванием. Однако сама схема отличается довольно существенно.

В автоматических потенциометрах отсутствует необходимость в ручных манипуляциях с переменным сопротивлением, питание измерительной схемы осуществляется от стабилизированного источника питания, автоматически вводится поправка на температуру свободных концов и др. Все это должно отразиться в схеме.

На рисунке 34 представлена упрощенная схема автоматического потенциометра. Она состоит из мостовой измерительной схемы, включающей в себя переменное сопротивление реохорда R_р, электронного усилителя У, реверсивного электродвигателя Д. На диагональ c - d подается постоянное напряжение от стабилизированного источника питания (на схеме не показан). Термопара подключена к прибору компенсационными проводами.

Рис. 34. Упрощенная схема автоматического потенциометра.

Работа осуществляется следующим образом. ЭДС термопары уравновешивается встречным напряжением (разностью потенциалов), возникающим на диагонали ab. Это уравновешиванием происходит автоматически. Если U_ab , то на вход усилителя поступает сигнал рассогласования , который затем преобразуется из постоянного тока в переменный и усиливается по напряжению и мощности. Результирующий выходной сигнал усилителя поступает на двигатель Д, который через кинематическую зубчатую передачу перемещает движок реохорда R_р таким образом, что начнет уменьшаться. Как только сигнал рассогласования станет равным нулю (а это будет, когда = ), выходной сигнал усилителя еже не будет вызывать вращения двигателя Д и движок реохорда остановится.

Вместе с перемещением движка по реохорду одновременно перемещается стрелка прибора.

Резисторы R_k и R_с в паре образуют цепь автоматического введения поправки на температуру свободных концов. Резистор R_к изготовлен из медной проволоки и расположен вблизи зажимов для присоединения компенсационных проводов. Поэтому его температура равна температуре свободных концов термопары.

Резистор R_с выполнен из манганина, и его сопротивление от температуры практически не зависит. Соотношение величин сопротивлений R_к и R_с выбрано таким, что изменение термо – ЭДС при изменении температуры свободных концов компенсируется таким же изменением напряжения на диагонали ab.