книги из ГПНТБ / Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях

достигается при измерениях амплитуд, частот или фаз сигналов раз­ ностным (дифференциальным) или компенсационным методом. Од­ нако автоматизация подобных операций связана со значительными трудностями.

В лабораторной и исследовательской практике широко исполь­ зуются многолучевые трубки и коммутаторы, обеспечивающие многоканальность при одном экране и регистрирующей системе [34]. Число одновременно регистрируемых с одной трубки параметров ограничено возможностью различения линий записи, которые могут непрерывно пересекаться или накладываться друг на друга. Поэтому число одновременно регистрируемых параметров ограничивается тремя-четырьмя; при записи пяти и более параметров расшифровка усложняется. Для удобства одновременного сравнительного анализа большего числа параметров применяется запись на одном носителе с не­ скольких трубок. При этом изображение экрана каждой из электрон­ но-лучевых трубок проецируется через свой объектив на одну об­ щую широкоформатную фотопленку, на которой образуется несколько дорожек записи.

В последние годы электронно-лучевые трубки широко исполь­ зуются для цифровой регистрации измеряемых величин.

Магнитографический осциллограф. Все большее распространение магнитографических регистрирующих устройств связано с тем, что магнитная запись позволяет наиболее просто осуществлять автомати­ ческое воспроизведение сигналов и проводить обработку результатов измерений без вмешательства человека. Положительными сторонами метода, кроме того, являются: высокая скорость регистрации, позво­ ляющая записывать быстропеременные сигналы; относительно высо­ кая точность регистрации; возможность регистрации сигналов, име­ ющих различную модуляцию; относительная простота и высокая стабильность рабочих элементов приборов; возможность повторного использования носителя. К отрицательным сторонам метода часто относят отсутствие непосредственно видимых результатов регистра­ ции и необходимость применения вторичных приборов для воспроиз­ ведения информации. Эти свойства магнитографов несущественны при автоматической обработке и расшифровке многоканальной за­ писи, поскольку параллельное использование при этом индикатор­ ных приборов почти не усложняет и не удорожает аппаратуру.

При магнитной регистрации носителем является ферромагнит­ ный материал, в качестве которого можно применять стальную про­ волоку, стальную ленту или специальные ферропленки, нанесенные на ленту или барабан. Наибольшее применение получили ленты раз­ личной ширины на диацетатной, триацетатной и лавсановой основе. При надлежащей температуре и влажности такие ленты могут хра­ ниться, не теряя своих свойств, несколько лет. Самопроизвольное стирание или изменение качества магнитной записи при длительном хранении практически маловероятно. Запись на ленте может быть частично или полностью стерта и на ее место нанесена новая запись. Поверхности лент покрываются прочным слоем ферромагнитной эмульсии, состоящей из мельчайших зерен (менее 0,3 мкм) Fe20 3

156

или Fe30 4 и связующего вещества. Существующие методы аналого­ вой магнитной записи позволяют вести запись с плотностью до 400 периодов сигнала на 1 мм пленки, поперечная плотность записи со­ ставляет 1,5 мм ширины ленты на одну дорожку. Современные магни­ тографы многоканальны; например, на ленте 2-35-РТ может разме­ щаться 20—25 дорожек; длина ленты составляет 500—1000 м.

Регистрирующим органом магнитографа является магнитная головка, а пишущим элементом — участок магнитного поля, созда­ ваемого головкой. Регистрируемый фактор представляется электри­ ческим напряжением или током, проходящим по обмотке электрома­ гнитной головки. Обычно в комплект магнитографа входят три го­ ловки: записывающая, воспроизводящая и стирающая. Типичная

Рис. 36. Схемы магнитных головок: а — головка обычного типа для продольной записи; б —головка для записи методом смещения;

1 — магнитопровод; 2 — катушка управления магнитным полем; 3 — носи­ тель; 4 — постоянный магнит; 5 — ярмо; 6 —- шунт; 7 — сердечник управ­ ляющего магнита

схема конструкции головки показана на рис. 36, а. Кольцевой магни­ топровод собирается из тонких листов пермаллоя и имеет две щели — рабочую б4 и вспомогательную б2. Рабочая щель образована ско­ шенными и тщательно отшлифованными полюсными наконечниками, по которым скользит лента. Вспомогательная щель делается для уменьшения остаточного намагничивания магнитопровода и стаби­ лизации его свойств. Ширина рабочей щели головок выбирается в за­ висимости от их назначения; наиболее характерны следующие раз­ меры: для записывающей головки — 0,03 мм, воспроизводящей — 0,02 мм, стирающей — 0,2 мм. Узкая щель записывающих головок обеспечивает острую фокусировку действующего на покрытие пленки магнитного поля.

Регистрация может производиться или намагничиванием заранее полностью размагниченной ферропленки — черным по белому или размагничиванием первоначально равномерно намагниченного фер­ ромагнитного материала — белым по черному. Физические символы получаются следующими различными методами.

При записи изменением интенсивности намагничивания измери­ тельный сигнал преобразуется в пропорциональную ему остаточ­ ную индукцию участков магнитного слоя ленты, которая сохраняется

157

неизменной длительное время. Для записи необходимо обеспечить прямую пропорциональность между величиной тока в записываю­ щей головке и величиной индукции в магнитных диполях ленты. Для этого следует использовать прямолинейный участок кривой на­ магничивания, что достигается введением специальных магнитных потоков смещения. Этот метод применяется при низких требованиях к точности, так как погрешность записи значительна и зависит от непостоянства магнитной восприимчивости феррослоя ленты. Частот­ ный диапазон записи при скорости протяжки 150 мм/с — от 50 Гц до 100 кГц.

При записи с предварительным частотным преобразованием изме­ рительный сигнал преобразуется в изменение несущей частоты напря­ жения, записываемого на магнитную ленту. Частотный диапазон записи 0—10 кГц. При изменении скорости записи на 1% в резуль­ татах записи возникает погрешность, зависящая от соотношения ме­ жду скоростью записи и диапазоном изменения несущей частоты и достигающая 10—15% при малых диапазонах изменения несущей частоты.

При записи с предварительным временным преобразованием измерительный сигнал преобразуется в длительность импульса, который затем регистрируется на магнитной ленте. Этот метод отли­ чается малой погрешностью регистрации (до 1%), но пригоден только для низких частот (до 5—10 кГц).

При записи методом перемещения границы перехода от положи­ тельной намагниченности феррослоя к отрицательной, измеритель­ ный сигнал преобразуется в равномерное магнитное поле, на которое накладывается постоянное поле, линейно изменяющееся от положи­ тельных до отрицательных значений напряженности.

Головка для записи путем смещения границы (рис. 36, б) состоит из основной (постоянный магнит, ярмо и шунт) и управляющей магнитных цепей, которые разделены воздушным зазором. Магнит­ ные силовые линии основной магнитной цепи проходят через ярмо, правую половину шунта, воздушный зазор, сердечник управляющего магнита, воздушный зазор, левую половину шунта и ярмо. Магнит­ ные силовые линии управляющей магнитной цепи замыкаются через U-образный шунт и сердечник управляющего магнита, а также через воздушный зазор. При отсутствии тока в катушке управляю­ щего магнита, т. е. когда регистрируемый сигнал равен нулю, ма­ гнитное поле симметрично. Магнитный носитель намагничивается до насыщения по обе стороны от центра головки полями противопо­ ложной полярности, а в центре — не намагничивается. Если реги­ стрируемое напряжение не равно нулю, то через катушку протекает ток определенной полярности, что и создает управляющее магнит­ ное поле. По одну сторону оси симметрии головки поля суммируются, а по другую — вычитаются; при этом граница полей смещается. Чем больше сигнал, тем больше смещение границы; при изменении полярности сигнала изменяется направление смещения. Погрешность записи составляет 1—2% и не зависит от изменений магнитной вос­ приимчивости феррослоя ленты. Визуальные результаты регистра-

158

ции легко получаются при обработке ленты ферропорошком (или ферропорошком, смешанным с краской). Порошок притягивается к ленте только в зонах намагничивания, а граница перехода не по­ крывается порошком и является видимой линией записи. При исполь­ зовании красок возможна печать на бумажную ленту.

Цифро-кодовая информация записывается на магнитную ленту после преобразования сигналов в заданную последовательность им­ пульсов. При магнитной записи импульсов не ставится жестких требований к идентичности формы сигналов; вполне достаточно, чтобы система воспроизведения записи надежно распознавала два возможных состояния носителя: намагниченности и размагничен­ ности. Здесь основным критерием является плотность записи, т. е. число импульсов, которое можно разместить на единице длины но­ сителя записи. При кодировании по двоичной системе используются два способа импульсной записи: с возвращением к нулю и без воз­ вращения к нулю. В первом случае двоичной единице соответствует местное повышение намагничивания, а нулю — начальное нама­ гничивание носителя. При таком способе записи лента никогда не выходит из состояния полного насыщения. В случае записи без возвращения к нулю двоичной единице соответствует момент изме­ нения направления намагниченности ленты, а нулю — интервалы ленты без изменения намагниченности. При этом способе обеспечи­ вается более высокая плотность записи на ленте.

При параллельной записи кодовых импульсов, представляющих число, высокие требования предъявляются к временному разделению воспроизводимых импульсов. Плотность записи импульсов в этом случае не должна быть слишком высокой, так как чем уже импульс, тем больше вероятность ошибок из-за перекоса ленты, выпадений импульсов, разброса параметров головок и др. При импульсной за­ писи недопустимо пропадание или возникновение ложных импульсов, поэтому в процессе записи принимаются меры для контроля. Один из способов контроля состоит в записи избыточного количества ин­ формации, при котором запись дублируется. Другой способ основан на методах теории кодирования, когда запись производится кодом с обнаружением или исправлением ошибок. В простейшем случае на ленте отводится специальная дорожка для импульсов, которые при воспроизведении в сумме с импульсами с других дорожек дают чет­ ное или нечетное число. Ошибка обнаруживается, если при воспро­ изведении не получается заданная четность (или нечетность) суммы. Этот способ не исправляет ошибку и не может определить число оши­ бок более одной. Применяя более сложные коды, например код Хемминга, можно не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их. Однако применение таких кодов усложняет аппаратуру, поэтому обычно их используют лишь для исправления одиночной и обнару­ жения двойной ошибки. Пропадание импульсов на ленте особенно заметно при длинах волн, сравнимых с шириной щели магнитной головки. Поэтому приходится использовать сравнительно длинные импульсы, снижая тем самым плотность импульсной записи. Огра­ ничения, вносимые несовершенством покрытия и перекосом ленты,

159

определяют верхнюю границу плотности записи (примерно 10 им­ пульсов на 1 мм длины ленты).

В связи с расширением использования частотно-модулирующих измерительных преобразователей в практике теплотехнических ис­ следований широко используется регистрация измерительных сигна­ лов в частотно-импульсной форме без промежуточного преобразова­ ния в числовой код. Примером регистратора подобных сигналов может служить магнитограф, выполненный на основе стандартного ленто­ протяжного механизма ИС1741А. Структурная схема магнитографа представлена на рис. 37. Регистратор предназначен для записи на магнитную ленту шириной 35 мм частотных сигналов в диапазоне 20—10 000 Гц; воспроизведение записи отсутствует.

Рис. 37. Функциональная схема магнитографа для регистрации частотно-модули- рованных сигналов

Блок лентопротяжного механизма отличается от механизма ИС1741А тем, что вместо головок воспроизведения установлен вто­ рой блок записи с головками, сдвинутыми относительно головок пер­ вого блока на шаг линии записи. Удвоение линий записи увеличило число дорожек с 15 до 29. По 26 дорожкам ведется запись измеритель­ ной информации, три дорожки служат для регистрации служебных сигналов.

Сигналы от измерительных преобразователей Я поступают на вход блока формирования импульсов, где происходит перевод сину­ соидальных частотно-модулированных напряжений в прямоугольные импульсы тока, подаваемые в обмотки записывающих головок. Квар­ цевый генератор (КГ) вырабатывает сигналы эталонной частоты 10 кГц, необходимые для отметок начала и конца эксперимента, те­ кущего значения времени, а также для формирования импульсов сброса, которые поступают на делители частоты, на блок команд и блок формирования кода времени. При работе регистратора в ре-

160

жиме контроля на входы формирователей импульсов тока записи из КГ поступают контрольные сигналы высокой частоты. Блок рас­ пределения команд формирует сигналы записи эталонной частоты, контрольные сигналы низкой частоты, сигналы записи кода теку­ щего времени и сигналы частотой 1 Гц, поступающие в блок кода времени. С блока кода времени производится запись в двоично-де­ сятичном коде секунд текущего времени с момента подачи сигнала о начале эксперимента. Отсчет долей секунд ведется по записи эталон­ ной частоты на другой служебной дорожке. Блок автоматики пред­ назначен для управления работой регистратора в режимах контроля, начала и конца записи. В блоке питания и контроля вырабатываются необходимые величины постоянных и переменных напряжений и токов, подаваемые на все агрегаты регистратора. Кроме того, в блоке питания установлены мостовые схемы, служащие для конт­ роля уровней токов головок блоков магнитной записи. Пульт управ­ ления содержит необходимые переключатели и приборы визуального контроля и сигнализации о режимах работы регистратора.

Как видно из рассмотренного примера, при записи импульсных частотных сигалов на разных дорожках необходимо записывать на отдельную дорожку импульсы сигнала эталонной частоты. При вос­ произведении этот сигнал используется для формирования интервала опроса и для подсчета импульсов в интервале измерения при исполь­ зовании счетных методов определения частоты.

4. Универсальные регистраторы уравновешивания

Автоматические измерительные приборы следящего уравновеши­ вания в зависимости от наличия интегрирующих звеньев делятся на две группы: приборы без интегрирующих звеньев со статической характеристикой и приборы с интегрирующими звеньями, т. е. с ас­ татической характеристикой, в которых теоретически достижима полная компенсация воздействия измеряемой величины.

К первой группе приборов относятся главным бразом компенса­ ционные приборы (ГОСТ 1845—59), представляющие собой сово­ купность усилителей с глубокой отрицательной обратной связью или компенсационных преобразователей и выходных элементов;

Ко второй группе относятся автоматические компенсаторы по­ стоянного и переменного токов, автоматические мосты. Компенсато­ рами или потенциометрами обычно называются приборы, служащие для измерения напряжения и токов; мостами — приборы, измеряю­ щие сопротивления, индуктивности и емкости. В автоматических компенсаторах неизвестное напряжение компенсируется известным напряжением от стабильного источника, в автоматических мостах неизвестное сопротивление уравновешивается известным перемен­ ным сопротивлением реохорда.

Автоматические компенсаторы редко применяются для регистра­ ции сигналов в виде электрических токов, так как в этом случае из-за ничтожно малого входного сопротивления характеристики регистра­ тора становятся зависимыми от изменения сопротивления соедини­

тельных проводов и предварительных преобразователей. Для ком­ пенсации напряжения необходимо высокое входное сопротивление, благодаря чему достигается независимость работы прибора от внутренних и внешних сопротивлений измерительной цепи. Выход­ ные величины автоматических приборов уравновешивания могут быть представлены в виде механических перемещений регистрирую­ щего органа или в виде напряжения и тока.

В зависимости от технических характеристик, рода измеряемых величин, конструктивного исполнения, вида диаграмм записи вы­ пускается большое количество модификаций автоматических при­ боров [27, 123, 75]. В их число входят одноканальные и много­ канальные приборы постоянного и переменного тока; нормальных,

Рис. 38. Структурная схема автоматического компенсатора напря­ жения:

Ус — усилитель; Д — двигатель: Р У — регистрирующее устройство

средних и малых размеров; с ленточной и дисковой диаграммой; с низким и высоким входным сопротивлением; с реохордами и без них и т. п. В СССР автоматические компенсаторы и уравновешенные мосты выпускаются классов точности 0,2; 0,5 и 1,0 в соответствии с ГОСТ 7165—66.

Для измерения напряжения постоянного тока на входе автоком­ пенсатора используется измерительная схема сравнения напряжения,

реохорда; Rx — внутреннее сопротивление источника напряжения Ux (предыдущего преобразователя). Как уже указывалось, при измере­ нии напряжений обычно R BX значительно больше остальных сопро­ тивлений схемы, поэтому последнее выражение приближенно запи­

цепи усилителя равны нулю. Если / р = const, то перемещение вала двигателя и движка реохорда будут пропорциональны измеряемому напряжению Ux.

162

В автокомпенсаторах переменного тока [58] условие компенсации выражается равенством

Ux exp [/ (юД + <р,)] = UKехр [/ (сэк<+ фк)],

которое удовлетворяется при одновременном выполнении равенств

Равенство частот обычно соблюдается при питании измеритель­ ных цепей предыдущего преобразователя и компенсатора от одного источника переменного напряжения. Поэтому в отличие от компен-

Рис. 39. Структурная схема интегрирующего автоматического компенсатора:

ЭС — элемент сравнения; ПОС — преобразователь обратной связи

вания происходит при одновременном перемещении двух органов, причем перемещение может производиться с различной скоростью.

В ряде случаев регистрации (например, в расходомерах) необ­ ходимо интегрировать выходной сигнал в течение длительного вре­ мени. Для этой цели используются интегрирующие автокомпенса­ торы различных принципов действия. На рис. 39 приведена схема электронного компенсатора фирмы «Хонейвелл Контроле» (США), который снабжен специальным устройством, обеспечивающим инте­

в последовательность импульсов, частота следования которых про­ порциональна Ux

fx = k-JJx = kx-

Импульсы подсчитываются счетчиками; суммарное число импуль­ сов N за время Т равно

т т

N = f fxdt = k Jx dt.

оо

Результаты интегрирования отмечаются также на диаграмме в виде точек, соответствующих единицам интеграла и наносимых вдоль вспомогательной линии, и точек, соответствующих десяткам единиц интеграла, наносимых вдоль края диаграммы. На отечест­ венных автокомпенсаторах ЭПИД устанавливаются интегрирующие устройства циклического действия, осуществляющие интегрирова­ ние периодически за заданное постоянное время одного цикла Тц.

Автоматические уравновешенные мосты могут питаться как пе­ ременным, так и постоянным током; они выпускаются одно- и мно­ гоканальными. До внедрения унифицированных сигналов мосты с уравновешиванием по одному параметру обычно ипользовались для работы в комплекте с термометрами сопротивления и тензопреобразователями.

Рис. 40. Принципиальная схема автоматического измерительного моста

На рис. 40 изображена принципиальная схема измерительного моста, в котором первичный преобразователь в виде переменного активного сопротивления Rx подключен по трехпроводной схеме, обеспечивающей минимум температурной погрешности на линии связи. В этой схеме сопротивление проводов R n входит в два при­ лежащих плеча моста и в питающую диагональ моста, поэтому при одинаковых температурных изменениях R n равновесие моста не на­ рушается. Линейность шкалы автоматического моста обеспечивается включением измерительного сопротивления и реохорда в одно плечо моста. При ДRx = 0 уравнение равновесия имеет вид

(Rp 4- Rx -j- Ra -|- Ro) Ri = (Дч + Rn) R„

а при ДRx 0 — вид

(Rx 4~ &Rx 4“Rn~r Rb'bRp— &Rp) Ri — (Rn4- Rn) (Ra4~ &Rp)-

Здесь h — перемещение регистрирующего органа; ix — коэффициент пропорциональности; х — перемещение чувствительного элемента;

164

ip — передаточное число редукционной связи между изменением со­ противления реохорда и перемещением h. При постоянных ix и ip шкала моста линейна; нелинейность ix может быть скомпенсирована соответствующим выбором ip.

Изменение предела измерения автоматического моста достигается шунтированием реохорда. В уравнение равновесия мостовой схемы не входит напряжение питания, поэтому в автоматических мостах

Рис. 41. Схема цифрового прибора развертывающего уравновешивания

в отличие от автокомпенсаторов не требуется стабилизированного источника питания и в большинстве случаев схема моста питается переменным током. В табл. 19 приведены характеристики наиболее распространенных отечественных регистраторов следящего уравно­ вешивания.

Автоматическими мостами переменного тока измеряются комплекс­ ные сопротивления, емкости и углы потерь в конденсаторах. Мосты этого класса подробно рассмотрены в [97, 55, 58].

Простейшие электромеханические цифровые приборы разверты­ вающего преобразования предлагались Е. Ф. Темниковым с 1934— 1935 гг. Принцип действия одного из подобных приборов поясняет схема, приведенная на рис. 41 [123]. Прибор состоит из мостовой измерительной схемы, образованной реохордом R lt R 2, постоянным сопротивлением R 3 и переменным сопротивлением первичного изме­ рительного преобразователя Rx с питанием постоянным током 48 В. В измерительную диагональ моста включен нулевой орган, состоящий из диода Л х, усилительного триода Л г и тиратронов У74, Ль и Л в.

Синхронный двигатель СД приводит во вращение ползунок рео­ хорда и цифровые ролики а я б двухразрядного механического счет-

165