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 Rp со скользящим контактом СК и контрольный резистор RK, 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 RK 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 Rp 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 Rp, 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 Rm. Функции контрольного выполняет резистор RK сопротивлением (509,5±0,2) Ом, ограничивающий рабочий ток в измерительной схеме при градуировке или поверке прибора. Резисторы Rr 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 RM 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 Rp 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 Rт, 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 Iт его плеча ad будет равен току It 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. ITRT =I3R3; I1R1 = I2R2.. После математических преобразований получим уравнение Rr = /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 Rp, 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 RT, 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 Rp 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.