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 n– число витков рамки;
l – активная высота рамки, м ;
B– магнитная индукция, Т ;
I– сила 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 2·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 Rт с отрицательным температурным коэффициентом и шунтирующий резистор Rш.
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.) .