5-7. Логометры

Рассматриваемые ниже приборы магнитоэлектрической системы, называемые логометрами (от греческого слова «логос» — отношение), широко используются в практике технологического контроля для измерения и записи температуры в комплекте с термометрами сопротивления. Кроме того, логометры могут быть использованы для измерения, записи и регулирования или сигнализации температуры. В этом случае они должны быть снабжены дополнительным регулирующим или сигнальным устройством. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При зтом необходимо иметь в виду, что температурная их шкала действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления внешних соединительных линий. Логометры находят также применение для измерения других величин, изменение значения которых может быть преобразовано в изменение активного электрического сопротивления.

Измерительный механизм логометров состоит из двух рамок, помещенных в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. При этом в отличие от пирометрических милливольтметров у логометров воздушный зазор между полюсами магнита и сердечником сделан неравномерным и соответственно непостоянна магнитная индукция в зазоре. Противодействующий момент у логометров создается, как и вращающий электрическим путем одной из его рамок, что является характерной особенностью этих приборов. Поэтому токопроводы к рамкам логометра по возможности не должны создавать механического противодействующего момента, чтобы не оказывать влияния на положение равновесия, обусловленное вращающими моментами двух рамок.

Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магнитом показана на рис. 5-7-1. В междуполюсном пространстве постоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены две скрещенные и жестко связанные между собой рамки изготовленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в пределах рабочего угла в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником цилиндрической формы, закрепленным, как и полюсные наконечники, неподвижно. Выточки полюсных наконечников сделаны также по окружности, но радиус этих выточек смещен по отношению к центру сердечника так, что воздушный зазор убывает от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция возрастает приблизительно по квадратичному закону от центра к краям полюсных наконечников. В приборах с таким измерительным механизмом при угле между рамками от 15 до 20° можно получить почти пропорциональную шкалу с центральным углом около 80—90°.

Рис. 5-7-1. Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магнитом.

Рамки логометра включены таким образом, что их вращающие моменты направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам производится либо с помощью «без-моментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством маломоментных спиральных волосков, изготовляемых из бронзовых сплавов. На приведенной схеме логометра добавочные манганиновые резисторы, сопротивление термометра.

Как видно из рис. 5-7-1, ток от источника питания в точке а разветвляется и проходит по двум ветвям: через резистор рамку и через термометр сопротивления резистор и рамку . В точке ветви сходятся, и дальше ток идет по одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкам токов и создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты соответственно и направленные навстречу друг другу. Если то и при симметричном расположении рамок относительно полюсных наконечников вращающие моменты равны (рамки занимают положение, показанное на рис. 5-7-1).

Если сопротивление вследствие нагрева термометра возрастает, то вращающий момент рамки будет больше момента рамки так как и подвижная часть начнет поворачиваться по часовой стрелке, т. е. в направлении момента При этом рамка с большим вращающим моментом попадает в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшается, момент же рамки

наоборот, будет увеличиваться. При определенном угле поворота вращающие моменты сравняются и рамки остановятся. Это произойдет при условии

или

где магнитная индукция в зонах расположения рамок число витков рамок площадь активной части рамок

Полагая в уравнении (5-7-1), что

получаем

откуда

Учитывая, что значение отношения является функцией угла отклонения подвижной части, уравнение (5-7-2) можно представить в виде

или

Подставив в уравнение (5-7-4) значения

получим:

Так как являются постоянными величинами, то

т. е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра является функцией измеряемого сопротивления термометра.

При выводе уравнения (5-7-5) не учитывались моменты, накладываемые токоподводящими вводами, и трение. Если учесть эти Моменты, трение и другие факторы, то изменения значения напряжения источника питания более чем на ±15—20% номинального вызывает изменение показаний логометра.

В при орах с «безмоментными» вводами при выключенном напряжении питания указатель может оставаться в любом месте шкалы и тем самым ввести в заблуждение при измерениях. Поэтому в показывающих логометрах ставят специальный электромагнитный возвратитель, благодаря которому указатель смещается только в том случае, когда к прибору подведено напряжение.

В логометрах, выпускаемых в настоящее время, подвод тока к рамкам осуществляется с помощью маломоментных спиральных волосков, которые одновременно служат и для возвращения стрелки в исходное положение при выключенном источнике питания. В этом случае изменение напряжения питания на ±10% номинального (4 В) вызывает изменение показаний, обычно не превышающее предела допускаемой основной погрешности логомера Для повышения точности измерения с помощью логометра желательно применять для питания его стабилизированный источник напряжения.

Основным недостатком рассмотренной дифференциальной логометрической схемы, применяемой в комплекте с высокоомными термометрами, является то, что для уменьшения температурной погрешности прибора приходится включать последовательно с рамками манганиновые резисторы с большими сопротивлениями Вследствие этого логометры с такой измерительной цепью обладают меньшей чувствительностью по сопротивлению по сравнению с приборами с мостовыми логометрическими схемами. Применяемые мостовые схемы с логометром в качестве измерителя можно разделить на две основные группы, а именно несимметричные и симметричные. Логометры с несимметричной мостовой цепью не нашли широкого применения и ниже рассматриваться не будут.

В принципиальной схеме логометра с симметричной мостовой цепью, получившего широкое применение (рис. 5-7-2), сопротивления резисторов симметричных плеч моста равны между собой, т. е. при сопротивлении термометра, примерно равном среднему значению измеряемой температуре по шкале логометра. Если то потенциалы точек одинаковы (благодаря симметрии схемы), а токи протекающие в рамках равны и противоположны. При увеличении сопротивления термометра потенциал точки с понижается, а потенциал точки повышается. Соответственно ток уменьшается, а ток увеличивается. Когда сопротивление термометра уменьшается, ток увеличивается, а ток уменьшается. Таким образом, при изменении сопротивления термометра происходит одновременное изменение токов в обеих рамках логометра. Изменения этих токов имеют разные знаки, благодаря этому чувствительность такой схемы выше, чем у несимметричной. схемы.

На рис. 5-7-3 схематично показаны два варианта конструкций измерительных механизмов логометра, применяемых с симметричной мостовой цепью. В механизме, показанном на рис. 5-7-3, а, воздушный зазор убывает, а магнитная индукция возрастает по квадратичному закону от центра к краям полюсных наконечников.

В измерительном механизме, выполненном по схеме рис. воздушный зазор увеличивается от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция падает примерно по квадратичному закону от центра к краям полюсных наконечников. Оба варианта практически равнозначны и позволяют получить близкую к линейной шкалу с центральным углом 80—90° (при угле между рамками 15—20°). Наряду с измерительными механизмами с внешним магнитом (рис. 5-7-3) получают широкое распространение малогабаритные механизмы с внутрирамочным магнитом.

Рис. 5-7-2. Принципиальная схема логометра с симметричной мостовой цепью.

Рис. 5-7-3. Измерительные механизмы логометров с внешним постоянным магнитом.

По конструкции они подобны измерительным механизмам с внутрирамочным магнитом милливольтметров но отличаются наличием двух рамок, малой жесткостью спиральных волосков и неравномерным распределением магнитной индукции в воздушном зазоре.

Время успокоения подвижной части применяемых логометров с рассмотренными или другими измерительными механизмами не должно превышать 3 с при длине шкалы до с при длине шкалы от 90 до 150 мм и 6 с при длине шкалы более 150 мм.

Определим значения токов в рамках логометра (рис. 5-7-2). Для рассматриваемой схемы прибора с учетом, что можно написать следующие уравнения:

Решая совместно эти уравнения относительно и получаем:

где

Разделив уравнение (5-7-7) на (5-7-8), получаем выражение для отношения токов в рамках логометра

из которого следует, что при изменении температуры прибора возникает дополнительная температурная погрешность, вызываемая изменением сопротивлений рамок логометра и соответственно изменением значения отношения токов в рамках. Однако при равновесии моста, когда и одинаковом изменении сопротивлений рамок логометра под влиянием температуры отношение токов не изменяется и остается равным единице. При нарушении равновесия моста логометр меняет свои показания с изменением температуры, и погрешность прибора может превышать допускаемые пределы. Для уменьшения дополнительной температурной погрешности прибора обычно часть резистора изготовляют из меди, а часть из манганина. Обозначим часть резистора изготовляемую из меди через и часть, изготовляемую из манганина, через Тогда при температуре отличной от температурь! градуировки сопротивление авно

сопротивление рамок при температуре определяется по формуле

где сопротивление рамок при Ом; а — температурный коэффициент электрического сопротивления меди,

Подставляя выражения (5-7-10) и (5-7-11) в уравнение (5-7-9), после преобразований получим:

где

Если принять

то отношение токов не будет зависеть от окружающей температуры. Выражение (5-7-14) обычно называют условием температурной компенсации. Подставляя в формулу (5-7-14) значения (5-7-13) и решая относительно получаем:

или после преобразования

Поскольку в уравнение (5-7-15) входит сопротивление термометра то полную компенсацию температурной погрешности с помощью резистора можно получить только в одной точке, не считая случая, когда схема моста уравновешена. Однако трмпературная погрешность в точках, где не обеспечивается компенсация, значительно меньше той погрешности, которая была бы при отсутствии медного резистора Например, для выпускаемых логометров класса 1,5 изменение показаний прибора, вызванное изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах от 5 до не должно превышать ±0,75% нормирующего значения измеряемой величины на каждые За нормирующее значение принимают разность конечных значений диапазона измерений. Нормирующее значение и диапазон измерения выражаются в единицах сопротивления.

Рассмотренные выше схемы логометров не исчерпывают всех возможных вариантов, но являются типовыми для этой группы приборов, применяемых в комплекте с термометрами сопротивления и реостатными передающими преобразователями

Рассмотрим схему логометра типа класса точности 1,5, в основу устройства которого положены описанная выше симметричная мостовая логометрическая схема (рис. 5-7-2) и измерительный механизм с внутрирамочным магнитом Эта схема используется также в логометрах типа с измерительным механизмом, показанным на рис. 5-7-3, а.

Рис. 5-7-4. Принципиальная схема логометра

Принципиальная электрическая схема логометра типа (или с подключенным к нему по трехпроводной схеме термометром сопротивления приведена на рис. 5-7-4. Назначение резисторов мостовой схемы рассмотрено выше. Резистор включенный последовательно с сопротивлением термометра, является добавочным в этом плече моста. Цифры на схеме

3 и 4) соответствуют принятым номерам зажимов на крышке логометра

Логометры рассчитаны на подключение к ним термометров сопротивления как по двухпроводной, так и по трехпроводной схемам при определенных значениях сопротивления внешних соединительных линий Номинальное значение сопротивления линий соединяющих логометры с термометрами, установлено равным Ом и указывается на его циферблате. Заданное значение сопротивления линии обеспечивается с помощью двух катушек включенных симметрично в оба плеча моста. Сопротивление каждой подгоночной катушки составляет с допускаемым отклонением от номинала не более от

Подгонка сопротивления линии при трехпроводиой схеме включения термометра (рис. 5-7-4) осуществляется раздельно для левого и правого проводов с помощью катушек Измерение сопротивления каждого провода и соответствующей катушки при подгонке производится переносной поверочной установкой типа или переносным мостом, погрешности измерения которых не должны превышать ±0,2% измеряемой величины.

При двухпроводной схеме включения термометра провод присоединяют к зажиму с (рис. 5-7-4), и подгонку сопротивления двух проводов линии до значения 2,5 (или 7,5) Ом осуществляют с помощью одной катушки При

двухпроводной схеме включения термометра катушка оказывается включенной последовательно с плечом Отклонение сопротивления этой катушки от номинального (2,5 или 7,5 Ом) не должно превышать ±0,01 Ом.

Для периодической поверки правильности показаний логометра в условиях эксплуатации предусмотрена контрольная катушка (рис. 5-7-4), сопротивление которой равно сопротивлению термометра при температуре, соответствующей контрольной отметке на шкале прибора. При проверке логометра предварительно отключают источник питания и после этого закорачивают зажимы в головке термометра, а конец провода, присоединенный к зажиму 2, переключают на зажим 4. Выполнив эти операции, подключают источник питания; при исправном приборе его стрелка должна установиться на красную контрольную черту, расположенную примерно на середине шкалы.

По внешнему виду и устройству корпуса логометр типа не отличается от профильного пирометрического милливольтметра типа показанного на рис. 4-11-8. Логометр так же как и прибор предназначается для утопленного монтажа на щите.

При определении погрешности измерения температуры -метром в комплекте с термометром сопротивления необходимо иметь в виду, что предел допускаемой основной погрешности и изменение показаний логометра под действием влияющих величин в пределах нормированной области их значений выражаются как приведенные погрешности в процентах нормирующего значения измеряемой величины, а максимальное допускаемое отклонение от градуировочной таблицы термометра сопротивления нормируется в виде абсолютной погрешности (табл. 5-2-1).

При оценке погрешности измерения необходимо также учитывать, что температура чувствительного элемента термометра по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды

При измерении температуры термометром сопротивления в комплекте с логометром возможны погрешности от изменения сопротивления внешней соединительной линии или вследствие неточной ее подгонки. Значение дополнительной погрешности при трехпроводной схеме включения термометра, обусловленной изменением сопротивления линии под влиянием изменения температуры окружающего воздуха, можно определить с помощью упрощенной формулы

где а — температурный коэффициент электрического сопротивления меди; - средняя температура окружающего воздуха вдоль линии; температура, соответствующая градуировке

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Если мост уравновешен, то при правильной подгонке сопротивления линий

Следует также отметить, что изменения показаний логометров могут быть вызваны наличием внешних магнитных полей, а также

влиянием ферромагнитного щита. Рекомендации для уменьшения или устранения этих влияний на показания приведены при рассмотрении милливольтметров