Приборы для измерения и регулирования температуры

В настоящее время используется довольно много различных автома­тических терморегулирующих и измерительных приборов, среди кото­рых в полупроводниковом производстве наиболее широко использу­ются автоматические потенциометры и уравновешенные мосты.

Автоматические потенциометры применяются в термических установках для измерения, записи, сигнализации или регулирования температуры и работают в комплекте с термоэлектричес­кими преобразователями (термопарами). Для сигнализации и регулиро­вания температуры автоматические потенциометры снабжаются допол­нительными устройствами. По конструкции автоматические потенцио­метры бывают показывающие (КПП1, КВШ), а также показывающие и самопишущие с ленточной (КСП1, КСП2, КСП4) или дисковой (КСПЗ) диаграммой. Автоматические потенциометры с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры как в одной, так и в не­скольких (2, 3, 6 и 12) точках, а с дисковой - только в одной точке.

Многоточечные самопишущие приборы имеют каретку с печатающим устройством (механизмом) для одно- или многоцветной записи и двух­полюсный переключатель, автоматически подключающий к измеритель­ной схеме потенциометра все присоединенные термопары. Измеряемая температура записывается на ленточной диаграмме последовательно точ­ками с цифрами соответственно каждой термопаре.

В одноточечных самопишущих приборах записывающее устройство (перо, шариковая ручка) регистрирует измеряемую температуру непре­рывной линией на движущейся бумажной ленте.

Промышленностью выпускаются автоматические потенциометры высоких классов точности: 0,25; 0,5 и 1,0.

В полупроводниковом производстве широко применяют потен­циометры постоянного рабочего тока, обладающие высокой точностью, так как измеренная термопарой термо-эдс сравнивается со стабильной известной эдс нормального элемента. Принцип действия автоматических потенциометров основан на компенсационном методе измерения.

В компенсационную цепь потенциометра постоянного рабочего тока (рисунок ниже) включены регулируемый резистор R, источник питания ИП, реохорд R_p со скользящим контактом СК и контрольный резистор R_K, служащий для установления рабочего тока.

Схема потенциометра посто­янного рабочего тока

Переключателем П гальва­нометр Г можно включать в цепь нормального элемента НЭ или термо­пары Т. Чтобы установить определенный рабочий ток в компенсацион­ной цепи, переключатель П включают в цепь нормального элемента НЭ и регулируют его резистором R до тех пор, пока падение напряжения на контрольном резисторе R_K не будет равно эдс нормального элемента. При этом указатель гальванометра устанавливается на нулевой отметке (в середине) шкалы.

Затем переключатель П возвращают в среднее (нейтральное) поло­жение, скользящий контакт СК устанавливают в положение, примерно соответствующее значению измеряемой термо-эдс, включают переключа­тель П в цепь термопары. Наблюдая за отклонением указателя нулевого прибора гальванометра, перемещают скользящий контакт СК"до тех пор, пока указатель не возвратится на нулевую отметку шкалы, т.е. пока компенсирующее напряжение на участке реохорда 7?_р между точками подключения гальванометра и скользящего контакта не будет равно из­меряемой термопарой термо-эдс. Значение термо-эдс отсчитывают по шкале реохорда R_p напротив указателя скользящего контакта СК в тот момент, когда гальванометр показывает отсутствие тока в цепи термопары.

Поэтому при измерении термо-эдс компенсационным методом в це­пи термопары нет падения напряжения, а следовательно, и искажений значения измеряемой термо-эдс. Показания потенциометра при этом не зависят от изменения сопротивления соединительных проводов и термо­пары, что является их существенным преимуществом по сравнению с другими приборами для измерения температуры (например, с милли­вольтметрами). Но значительное увеличение сопротивления внешней цепи уменьшает точность уравновешивания, что снижает чувствитель­ность гальванометра.

Рассмотрим устройство автоматических одноточечных потенциомет­ров КСП2 и КСП4 с ленточной диаграммой (рисунок ниже), измерительная схема которых получает питание 6,3 В от стабилизированного источника ИПС.

Автоматический одноточеч­ный потенциометр с ленточной диа­граммой КСП4

Для уменьшения влияния помех на точность работы приборов их снабжают двойными Г-образными фильтрами Ф1 для указателей с време­нем прохождения всей шкалы 2,5 и 5 с и двойными Т-образными фильтрами Ф2 для указателей с временем прохождения всей шкалы 1 с.

В приборах КСП2 и КСП4 применен линейный реохорд R_p, выпол­ненный в виде отдельного модуля с заданным нормированным сопротив­лением, что упрощает их ремонт, который состоит в простой замене из­ношенного реохорда новым. Для подгонки сопротивления реохорда Rp служит шунт R_m. Функции контрольного выполняет резистор R_K сопро­тивлением (509,5±0,2) Ом, ограничивающий рабочий ток в измеритель­ной схеме при градуировке или поверке прибора. Резисторы R_r и R„ предназначены соответственно для установления диапазона измерений и начального значения шкалы прибора, а резистор R& — в качестве балластного для установления определенного рабочего тока верхней части измерительной схемы при различных градуировках.

Для автоматической компенсации изменения термо-эдс при измере­нии температуры холодных концов термопары Т служит вспомогатель­ный резистор R_M из медной проволоки. При использовании термопар гра­дуировки ПРЗО/6 поправку на изменение температуры их холодных концов вводить не надо, поэтому все резисторы в автоматических потен­циометрах, предназначенные для работы с указанными термопарами, изготовляют из манганиновой проволоки. Для ограничения и регулиров­ки рабочего тока в цепи ИПС при градуировке или поверке прибора слу­жат резисторы R₁' и R₁''.

Перемещение скользящего контакта реохорда R_p и каретки с указа­телем и пером осуществляется реверсивным асинхронным двигате­лем РД с конденсаторным пуском (фазовый сдвиг на 90° выполняют конденсаторы С1 и С2), а продвижение диаграммной ленты - синхрон­ным электродвигателем СД (или ДСМ).

Движущим сигналом автоматических потенциометров является сигнал разбаланса между постоянным током (напряжением) измеритель­ной схемы и термо-эдс термопары, преобразованный входным устрой­ством ВУ и усиленный полупроводниковым усилителем У в виде напря­жения переменного тока, приводящего в действие двигатель РД, кото­рый этот разбаланс устраняет.

В многоточечных автоматических потенциометрах в отличие от одно­точечных для последовательного подключения нескольких термопар к измерительной схеме устанавливают переключатель ВЗ. Запись изме­ряемой температуры осуществляется циклично нанесением на диа­граммную ленту точек с порядковым номером термопары в момент остановки каретки. Цифра, появляющаяся в окошке каретки, указыва­ет номер термопары, сигнал которой будет отрабатываться в следующем цикле записи.

Рассмотренные автоматические потенциометры применяются в боль­ших АСУТП, где кроме традиционных функций измерения и регистрации они служат для преобразования сигналов в форму, удобную для связи с любыми другими средствами автоматизации (электрическими, пневматическими) и управления, а также с вычислительными комплек­сами.

Более современные приборы А501, А502, А511 и А542 отличаются малыми габаритами, многоканальностью, унификацией, широким приме­нением элементов микроэлектроники и работают с блоками нормализа­ции, измерительными преобразователями, устройствами непрерывной сигнализации.

Автоматические уравновешенные мосты широ­ко применяются в технике для измерения, записи, сигнализации и регу­лирования температуры в комплекте с термометрами сопротивления. Схема уравновешенного четырехплечего моста (рисунок ниже) состоит из термометра сопротивления R_т, включенного в одно из его плеч, и резисторов R1, R2 и R3, сопротивления которых известны, а также источника питания ИП и чувствительного гальванометра Г.

Схема уравнове­шенного четырехплечего моста

Резистор R1 выполняет функции срав­нительного регулируемого плеча, изменением сопротивления которого можно добиться та­кого состояния схемы, при котором потен­циалы точек а и с, а следовательно, и ток /_г гальванометра Г будут равны нулю, т.е. схема будет находиться в равновесии. Такое состо­яние моста может быть только при определен­ном соотношении между сопротивлениями его плеч. В уравновешенном мосте ток I_т его плеча ad будет равен току I_t плеча аb, а ток /₃ плеча cd — току I₂ плеча сb.

В этом случае падения напряжений на резисторах R₇ и R3, а также на резисторах R1 и R2 будут равны, т.е. I_TR_T =I₃R₃; I₁R₁ = I₂R_2.. После математических преобразований получим уравнение R_r = /₃ R₁ / R₂. из которого видно, что при постоянном отношении R3/R2 уравновесить мост можно изменением сопротивления резистора R1. Подобранное сопротивление резистора R1 будет сопротивлением всего плеча моста, складывающимся из сопротивления термометра, подключенного для измерения, и сопротивлений цепи плеча ad. Поэтому при изменении сопротивления термометра следует учитывать сопротивление цепи, кото­рое может внести значительную погрешность.

Автоматические мосты, в которых уравновешивание четырехплече­го моста осуществляется реохордом R_p, выпускаются классов точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5. В схеме, компенсация дополнительных погрешностей, вызванных изменением температуры окружающего воздуха, осуществляется трехпроводным включением термометра сопротивления.

Автоматический уравновешенный мост работает следующим обра­зом. При нарушении равновесия моста, вызванного изменением сопро­тивления термометра R_T, на вход усилителя подается напряжение раз­баланса (точки а и b). Усиленный сигнал приводит в действие реверсив­ный двигатель РД, вал которого кинематически связан с движком реохорда R_p и передвигает движок до тех пор, пока разбаланс не станет равным нулю. В этот момент двигатель отключается, а движок реохорда с указателем занимает положение, соответствующее измеряемому со­противлению термометра.

Показывающие самопишущие и показывающие приборы имеют одинаковые схемы, но вторые без самопишущего устройства. Включение каретки самопишущего устройства и перемотка диаграммной ленты электродвигателем СД происходят одновременно с перемещением движ­ка реохорда.

Внешнее оформление, исполнительные механизмы, сигнальные, регулирующие и другие устройства уравновешенных мостов такие же, как у автоматических потенциометров. Эти приборы могут быть также малогабаритного и миниатюрного исполнения.

Оптические пирометры используют в тех случаях, когда нельзя применить термопару. Принцип действия их основан на сравнении яркости раскаленного тела с яркостью нити накала специаль­ной фотометрической лампы. Оптический пирометр ОППИР (рисунок ниже) имеет шкалу с двумя пределами измерения (800—1400 и 1200—2000 °С) и состоит из объектива 1, фотометрической лампы 2, окуляра 4 со свето­фильтром 3, измерительного прибора 5, переменного резистора 6, источ­ника питания 7 и корпуса 8.

Оптический пирометр и ярко­сти его нити при температурах ниже и вы­ше температуры нагретого тела (б, в) и равной ей (г):

1 - объектив, 2 - фотометрическая лампа, 3 - светофильтр, 4 - окуляр, 5 - измери­тельный прибор, б - переменный резистор, 7 - источник питания, 8 - корпус, 9 - нить

Так как предельная рабочая температура нити накала лампы лишь 1400 °С, при переходе к верхнему пределу измерения пользуются светофильтром, ослабляющим яркость.

При измерениях объектив пирометра направляют на нагретое тело так, чтобы одновременно видеть его и нить накала фотометрической лампы. Изменяя сопротивление резистора 6, доводят яркость нити до яркости наблюдаемого объекта: их совпадение воспринимается глазом как исчезновение нити на фоне светящегося тела (рисунок ниже б—г).

В этот момент температуры нити и объекта измерений будут одинаковы. Най­денную температуру отсчитывают по шкале измерительного прибора (вольтметра), отградуированной в градусах.

Точность оптического пирометрирования в некоторой степени зави­сит от стабильности источника питания нити фотометрической лампы. При работе оптическая ось прибора должна быть расположена горизон­тально, а шкала — вертикально.