3.2 Електронний автоматичний потенціометр
Електронний автоматичний потенціометр призначений для виміру, запису і регулювання температури. Працює він у комплекті з термопарами стандартних градуювань, застосовується для виміру температур від –200°С до 2000°С. Як конструкційні матеріали для електродів термопари використовуються: залізо-копель, копель-алюмель, хромель-алюмель, платина-платинородій та ін. Залежність термоелектрорушійної сили (ТЕРС) від зміни температури носить лінійний характер.
В електронних потенціометрах застосовується потенціометричний (компенсаційний) метод виміру, який заснований на зрівноважуванні (компенсації) вимірюваної ТЕРС відомою різницею потенціалів, утвореною допоміжним джерелом живлення.
З принципової схеми (рис. 3.5) видно, що термопара підключена так, що її струм на ділянці RАД йде в тому ж напрямку, що і від джерела живлення Б, а різниця потенціалів між точкою А і будь-якою проміжною точкою Д пропорційна опору RАД.
Рис. 3.5 – Принципова схема компенсаційного методу виміру: 1 – термопара; 2 – вимірювальний прилад; 3 – реохорд; 4 – джерело живлення
Пересуваючи рухливий контакт Д за умови, що ЕТП < ЕБ, можна знайти таке його положення, при якому струм у ланцюзі термопари буде дорівнювати 0, тобто ТЕРС термопари може бути обмірювана величиною спадання напруги на ділянці опору RАД. Схема такого виду широко використовується для виміру температури в переносних приладах.
Недолік розглянутої схеми полягає в тому, що ТЕРС залежить від сталості струму в ланцюзі реохорда.
Варіювання робочого струму в ланцюзі реохорда може вносити погрішності в результати виміру. Установку необхідної величини робочого струму і контроль його сталості роблять також компенсаційним методом (рис. 3.6).
Рис. 3.6 – Принципова схема контролю робочого струму
Схема має три ланцюги:
У режимі контролю перемикач встановлюють у положення К, підключаючи нормальний елемент до кінців опору RHЕ (ЕРС джерела живлення Б спрямована назустріч ЕРС нормального елемента). При зниженні величини робочого струму його регулюють настановним опором і домагаються такого положення, при якому різниця потенціалів на кінцях опору RНЕ не стане дорівнювати ЕРС нормального елемента. Струм у ланцюзі вимірювального приладу стане рівним нулю. Якщо RУСТ не вдається встановити робочий струм, то батарею заміняють. У режимі виміру перемикач встановлюють у положення В, підключаючи тим самим термопару послідовно з нормальним елементом, реохордом у точці А та рухливим контактом Д. ТЕРС термопари в цьому випадку буде спрямована в протилежний бік ЕРС джерела Б. Переміщаючи контакт Д, знаходять таке його положення, при якому різниця потенціалів між точкою А та контактом Д реохорда дорівнює ТЕРС термопари.
У приладах серії ГСП живлення вимірювальної схеми здійснюється стабілізованим джерелом, що спрощує конструкцію та експлуатацію.
Рис. 3.7 – Принципова схема електронного потенціометра: НЕ – нормальний елемент; РД – реверсивний двигун; БР – блок регулювання; БС – блок сигналізації
Розглянуті вище схеми реалізуються в електронних автоматичних стаціонарних потенціометрах (рис. 3.7).
На відміну від лабораторних переносних приладів движок реохорда автоматичних електронних потенціометрів переміщається не вручну, а автоматично за допомогою спеціального пристрою. При цьому нульовий прилад, який показує небалансовий струм вимірювального ланцюга потенціометра, замінений електронним нуль-індикатором, що складається з електронного підсилювача і реверсивного двигуна. За зміні ТЕРС термопари в ланцюзі з'являється постійна напруга небалансу, яка перетворюється і підсилюється до величини достатньої для обертання ротора реверсивного двигуна.
Останній за допомогою кінематичного механізму переміщає движок реохорда залежно від знака напруги небалансу в той чи інший бік, автоматично врівноважуючи вимірювальну схему. Одночасно з движком реохорда переміщаються стрілка, що показує, і записуюче перо. У потенціометрі використовується мостова вимірювальна схема, яка забезпечує високу точність і чутливість приладу та дозволяє автоматично уводити виправлення на зміну температури холодних спаїв термопари, а також легко змінювати межі виміру і градуювання шкали приладу.
Всі опори вимірювальної схеми потенціометра, крім RM (рис. 3.7), виконані з манганіну. Опір RM і холодні спаї термопари повинні знаходитися при однаковій температурі і розташовуватися поруч із клемами для включення термопари.
Вимірювана ЕРС термопари компенсується спаданням напруги на опорі Rр, величина якого залежить від положення движка реохорда. Якщо ЕРС термопари не дорівнює падінню напруги на зазначених опорах, то різниця напруг, що з'являється на вершинах вимірювального моста b і d, подається на каскад перетворення, який складається з вібраційного перетворювача і вхідного трансформатора.
У каскаді перетворення постійний струм напругою біля кількох мілівольтів перетворюється на перемінний. Далі перемінний струм підсилюється за напругою і потужністю до значення, достатнього для обертання реверсивного двигуна.
Реверсивний двигун обертається по годинниковій стрілці або проти неї (залежно від знака розбалансу), пересуває движок реохорда і тим самим установлюється рівновага вимірювальної схеми. При цьому напруга вимірювальної схеми, що компенсує, за зміні температури змінюється на таку ж величину, як і ЕРС термопари, але зі зворотним знаком. За рівноваги вимірювальної схеми реверсивний двигун обертатися не буде, тому що на вхід каскаду перетворення напруга не подається.
Для усунення перешкод, що виникають у ланцюзі термопари, на вхід потенціометра підключений фільтр, який складається з опорів і конденсаторів.
Конструктивно потенціометр являє собою стаціонарний прилад, усі вузли якого розміщені у середині сталевого корпуса.
Автоматичні потенціометри, що випускаються промисловістю, мають однакову принципову вимірювальну схему, але різноманітне конструктивне виконання. Вони відрізняються за габаритами, типом діаграми, градуюванням, межами виміру, видами додаткових пристроїв тощо. На даний час переважно випускаються вхідні в систему ГСП автоматичні потенціометри серії КС: КСП1, КСП2, КСП3, КСП4, а також КПП1, КВП1, ПСМ2.