自動平衡記錄儀表改值技術(shù)的研究及主要技術(shù)性能的評定

李曉仲，周建軍

(天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院 天津 300192)

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、環(huán)境測量等領(lǐng)域最普遍、最重要的物理量之一。物體的許多物理現(xiàn)象和物質(zhì)的化學(xué)性能都與溫度參數(shù)有關(guān)，物質(zhì)的反應(yīng)過程和產(chǎn)品生產(chǎn)過程等都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以在社會生產(chǎn)生活和科學(xué)實驗活動中，經(jīng)常會遇到溫度和溫度測量問題。而溫度是不能直接加以測量的，只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化而變化的特性加以間接測量。

熱電阻溫度傳感器是溫度測量中使用最廣泛的感溫儀表。我國過去一直沿用“68溫標(biāo)”的熱電阻分度表進(jìn)行計量，其分度數(shù)值與當(dāng)前國際溫標(biāo)熱電阻分度表有很大差值，同時許多國家都已經(jīng)采用了新的熱電阻分度表值。為了加快科技進(jìn)步和技術(shù)交流，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品的出口，引進(jìn)設(shè)備配套，提高測量溫度技術(shù)水平，我們也要按照國際通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、計量檢測等工作。很顯然，熱電阻新分度值的應(yīng)用，舊分度值熱電阻的淘汰與目前在用的尚未改值的自動平衡記錄儀表(以下簡稱“儀表”)不配套的矛盾日益突出，溫度計量檢測中會產(chǎn)生溫度示值從幾攝氏度到幾十?dāng)z氏度的誤差，也將會對溫度介質(zhì)中試驗的產(chǎn)品質(zhì)量造成很大影響，甚至使產(chǎn)品報廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這在計量工作中是絕對不能允許的。

如何做好儀表的改值，本文通過對儀表工作原理和工作過程的分析，設(shè)計了改值方法，經(jīng)過對改值后儀表計量檢定，各計量參數(shù)均符合相應(yīng)計量技術(shù)規(guī)范要求。

1 儀表的工作原理和工作過程

與熱電阻溫度傳感器配合使用的儀表一般稱為電子自動平衡電橋，主要組成部分由圖1所示。

圖1 電子自動平衡電橋構(gòu)成框圖Fig.1 Block diagram of an electronic auto-balanced bridge

電子自動平衡電橋的測量電路利用平衡電橋的基本原理工作，用放大電路代替測量電路中的檢流計，將電路輸出的不平衡電壓放大并使內(nèi)部驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動平衡機(jī)構(gòu)，改變儀表中比較臂電阻的滑動觸點位置，使平衡電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，根據(jù)滑觸點的位置，顯示相對應(yīng)被測對象的溫度參數(shù)。當(dāng)熱電阻溫度傳感器所處環(huán)境溫度發(fā)生改變時，其電阻參數(shù)也發(fā)生變化，重復(fù)上述過程，儀表能夠達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)了連續(xù)自動顯示被測溫度參數(shù)。為了便于分析，我們先討論簡單的測量橋路。

1.1 電子自動平衡電橋測量電路的基本原理

圖2 具有檢流計的測量橋路Fig.2 Measuring bridge circuit with a galvanometer

圖 2是一個具有連接檢流計形式的典型的電子自動平衡電橋測量橋路，熱電阻 Rt為其中的一個橋臂，為了減少連接導(dǎo)線電阻值因環(huán)境溫度變化而引起的測量誤差，它與橋路采用三線制接法。為使測量電路調(diào)整方便，在橋路橋臂中串接了滑線電阻 r，改變滑線電阻r中滑觸點A的位置即可以改變與滑觸點A相鄰的兩臂電阻值r1、r2。

當(dāng)溫度傳感器處在下限溫度時，滑觸點 A處于滑線電阻的最右端，測量電路處于平衡狀態(tài)，以下公式成立：

當(dāng)溫度傳感器處在上限溫度時，滑觸點 A處于滑線電阻的最左端，測量電路處于平衡狀態(tài)，以下公式成立：

因此在所測量的上下限溫度范圍內(nèi)，當(dāng)測量電路達(dá)到平衡狀態(tài)時，熱電阻 Rt的電阻值便有一個與其相對應(yīng)的滑觸點 A的位置并標(biāo)以溫度值，這樣就可以指示出對應(yīng)于Rt值時的溫度值。

上面所介紹的測量電路中若檢流計的功能用放大電路代替，滑動電阻中的滑觸點 A的位置移動由驅(qū)動電機(jī)通過一系列機(jī)械齒輪而改變，成為電子自動平衡電橋的主要組成部分。

1.2 改值原理和橋路計算

使用二種分度號熱電阻的溫度傳感器，電子自動平衡電橋在測量范圍內(nèi)微分值存在差值，因此就有指示誤差。如配接 G分度號銅熱電阻的橋路改為配接Cu,50新分度號的銅熱電阻，則測量點 0,℃時指示值偏低約 13.4,℃，測量點 150,℃時則指示值偏低約21.7,℃。對配以鉑熱電阻分度值 BA2的電子自動平衡電橋改為配接分度值Pt,100鉑熱電阻時，0,℃處沒有誤差，在 500,℃時指示值將會偏低 7.3,℃；如果鉑熱電阻分度值 BA1配接的電子自動平衡電橋，配接鉑熱電阻分度值 Pt,100時，則新、舊分度號分度值、微分值的不同使得溫度測量誤差更大。因此必須對測量電路及附屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行改值和重新設(shè)計，保證計量參數(shù)正確和準(zhǔn)確度等級符合計量技術(shù)規(guī)范要求。

由于考慮到橋路滑線電阻不工作區(qū)域以及電橋參數(shù)的調(diào)整，測量橋路見圖3所示：

圖3 測量橋路圖Fig.3 Diagram of bridge circuit measuring

Rt：熱電阻的電阻值(Ω)；

ΔRtm＝Rt1－Rt0：相當(dāng)于整個儀表刻度范圍內(nèi)熱電阻的電阻變化值；

Rt1、Rt0：表示相應(yīng)于儀表標(biāo)尺下限和上限時熱電阻的電阻值；

E：橋路電源電壓(V)；

Itm：流過熱電阻工作電流的重大值；

R2、R3、R4：橋路穩(wěn)定時固定電阻值；

R5：調(diào)整儀表量程的電阻；

R6：調(diào)整儀表下限刻度的電阻；

Rp：測量橋路的滑線電阻；

RB：將滑線電阻并聯(lián)成標(biāo)準(zhǔn)電阻值90,Ω的電阻；

R7：用作交流電橋時的限流電阻(Ω)(直流電橋時 R7＝0)；

Rnp：電阻Rp、RB與R5 3個電阻值并聯(lián)后的等效電阻(Ω)；

λ：滑線電阻每端不工作部分電阻和整個滑線電阻之比值(一般λ 值為 0.03～0.05)；

R1：連接導(dǎo)線的等值電阻，R1＝2.5,Ω。

1.2.1 橋路計算應(yīng)注意的幾個要點：

① 工作狀態(tài)時保證流過熱電阻的電流不超過6,mA的允許值；

② 取R3＝R4，這樣可以使連接導(dǎo)線的附加誤差忽略不計；

1.2.2 R2＝R3＝R4測量橋路計算公式

1.2.3 R3＝R4測量橋路計算公式

①小量程取i＜1；②大量程取i≥2。

公式：

如果按照公式(1-6)計算得到的R3值為小數(shù)，為了加工制作方便及保證儀表靈敏度我們可以將其取為整數(shù)，根據(jù)R3的數(shù)值再依據(jù)公式(1-6)重新計算其他值。

2 電子自動平衡電橋測量橋路改值計算實例及分析

根據(jù)上述儀表工作原理、過程和測量電路的計算方法，我們有一臺配溫度傳感器分度號為 BA1，現(xiàn)在要改為配溫度傳感器分度號 Pt,100、測量范圍為(0～500)℃保持不變的自動平衡電橋進(jìn)行改值計算和分析。

首先查詢溫度計量分度表得知，原下限電阻值Rtmin＝46.00,Ω，上限電阻值 Rtmax＝130.55,Ω，測量范圍相應(yīng)的電阻量程△Rt＝84.55,Ω(屬于△Rtm為10～100,Ω范圍)，可以選擇 R2＝R3＝R4的計算方法，Ito＝3.0,mA，λ＝0.03。

依據(jù)前述計算方法：

將此值定為165,Ω。

再次查詢溫度計量分度表，現(xiàn)量程條件下，下限電阻值 Rto＝100.00,Ω，上限電阻值 Rti＝280.90,Ω，△Rti＝180.90,Ω＞100,Ω屬于大量程的測量范圍，故我們選取 R3＝R4＝80.00,Ω，R2＝250.00,Ω，則：

通過以上計算可知，電子自動平衡電橋已經(jīng)完成了測量橋路改值計算，將改變 R3和 R4的電阻值由165,Ω調(diào)整為 80,Ω，R2的電阻值由 165,Ω調(diào)整為250,Ω，R5的電阻值由原值調(diào)整為95.367,Ω，R6的電阻值由原值調(diào)整為 97.924,Ω即可。在以上的計算過程中，要保證計算值的準(zhǔn)確，在選擇加工阻值原材料時應(yīng)該注意選擇溫度系數(shù)小、保證能夠正常通過電流的材料，以減少測量過程中的附加誤差。

3 電子自動平衡電橋改值后計量性能的測試

我們對上述電子自動平衡電橋進(jìn)行改值后計量參數(shù)測試。量程為(0～500)℃，準(zhǔn)確度等級為 0.5級，原配傳感器分度號是 BA1，現(xiàn)改變傳感器分度號為 Pt,100，指示采用新分度號表盤，其他計量參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)無改變。

依據(jù)《工業(yè)過程測量記錄儀》國家計量檢定規(guī)程技術(shù)要求，我們采用標(biāo)準(zhǔn)儀器“旋轉(zhuǎn)式直流電阻箱”(最小分度值為0.01,Ω)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在被檢刻度線下限(0,℃)出現(xiàn)最大指示誤差為－0.41,Ω，在被檢刻度線(400,℃)出現(xiàn)最大回程誤差 0.08,Ω，行程時間 4,s，阻尼特性符合二次“半周期”。其他各項指標(biāo)也均符合計量檢定規(guī)程技術(shù)要求，在此不一一列舉。通電大約 4,h后重新進(jìn)行試驗，所測數(shù)據(jù)無變化，其他技術(shù)要求也符合計量檢定規(guī)程規(guī)定。至此，完成了對電子自動平衡電橋的改值工作。

4 結(jié) 論

本文通過對電子自動平衡電橋工作原理和測量電路的分析，研究了當(dāng)配接不同分度值時熱電阻溫度傳感器電路的具體計算和改值方法，這樣就可以通過部分元器件的調(diào)整，使此類儀表滿足符合國際溫標(biāo)的溫度傳感器。本文的論述對所有在用儀表配接新型溫度傳感器時的改值及操作方法具有一定指導(dǎo)意義。

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