книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

Глава IV

И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы С Т Е П Л О В Ы М И П Р И Е М Н Ы М И П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Я М И

устройства и вторичного измерительного прибора. В тех случаях, когда такая система не обеспечивает необходимой точности изме­ рения, в ее состав включают дополнительные устройства для ком­ пенсации статических или динамических погрешностей или тех

Принимая за признак классификации наличие устройств ком­ пенсации в измерительных системах, последние можно разделить на следующие группы:

1) без устройств компенсации погрешностей;

2)с устройствами компенсации статических неинформатив­ ных факторов;

3)с устройствами компенсации динамических погрешностей (динамической коррекции).

Внутри этих групп имеет место деление по другим при­ знакам.

По типу приемных преобразователей (ПП) — термоприемни­ ков измерительные системы делятся на системы с термопарами (проволочными, пластинчатыми, пленочными) и термометрами сопротивления (металлическими, проволочными, пластинчатыми и пленочными, а также полупроводниковыми в виде цилиндри­ ков, пластинок, бусинок и пленок).

Для динамических измерений важное значение имеет класси­ фикация систем измерения по характеру их теплового уравнове­ шивания. Смысл этого деления заключается в следующем. Си­ стемы измерения тепловых величин измеряют выходной сигнал ПП либо без дополнительных манипуляций, либо для его измерения

160

требуется предварительное уравновешивание до определенного теплового состояния измерительной системы.

Таким образом, по признаку уравновешивания системы из­ мерения делят на разомкнутые и замкнутые системы следящего

(без интегрирующего звена) и астатические (с интегрирующим зве­ ном).

Замкнутые системы теплового уравновешивания имеют следую­ щие преимущества перед разомкнутыми: более высокую динами­ ческую и статическую точность и линейную характеристику вместо параболической.

2 3 . И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы Б Е З У С Т Р О Й С Т В К О М П Е Н С А Ц И И П О Г Р Е Ш Н О С Т Е Й

Измерительные системы с термопарами

При изменении температуры на один градус величина выход­ ного сигнала одиночной термопары в зависимости от материала термоэлектродов находится в пределах 0,01—0,07 мВ. С целью применения вторичных приборов без дополнительных усилителей применяют термобатареи или гипертермопары, в которых оди­ ночные термопары соединяются по различным схемам (рис. 92). Технология изготовления термобатарей описана в [21, 68]. Термо­ батареи, состоящие из сотен и тысяч термопар, могут быть полу­ чены либо сваркой из проволочных или листовых электродных материалов, либо осаждением на проволочную обмотку из константана медной пленки.

Последовательное соединение нескольких термопар (рис. 92, а) обеспечивает получение значительной термо-э. д. с. при малых перепадах температур рабочих (tx) и свободных (/„) спаев. Число одиночных термопар п можно определить исходя из верхнего

Дифференциальное соединение (рис. 92, б) получается из оди­ ночной термопары, если измерительный прибор включен в разрыв одного из термоэлементов. Вторичный прибор при этом показы­ вает разность температур (t2— tx)- В отличие от предыдущей схемы, стабилизации температуры холодных спаев в этой схеме не требуется.

На рис. 92, в приведена схема дифференциальной термобатареи. Подобная схема может быть получена также по такому способу соединения (рис. 92, г), когда одна термобатарея измеряет темпера­

обе группы их этих спаев прикрепить к одной массивной колодке из металла с большой теплопроводностью. Это обеспечивает бы­ строе выравнивание температуры колодки при изменении тем­ пературы внешней среды.

Дифгипертермопара наряду с простотой конструкции обладает способностью компенсации некоторых дополнительных погреш­ ностей. Например, при измерении расхода она измеряет разность температур до нагревателя и после него. При изменении темпера­ туры и физических свойств потока или мощности нагревателя из­ менение температур до и после нагревателя имеет один и тот же знак. Таким образом, речь может идти лишь о некотором различии

162

значений изменения температур в результате изменения указан­ ных величин.

Если в рассмотренных выше схемах не имел принципиального значения тип вторичного прибора (милливольтметр или потенцио­ метр), то для автоматического измерения отношений температур (рис. 93, а) или разностей температур (рис. 93, б) наиболее при­ годен электронный потенциометр или мост, в которых изо всех сопротивлений схемы сотавляют только реохорд [7]. На вход электронного усилителя поступает разность между полным зна­ чением термо-э.д.с. одной дифференциальной термопары и ча-

Рис. 93. Измерительные схемы для измерения отношении температур —г— (а)

и отношений разностей температур г-!3 —tуг4 (б)

стью термо-э. д. с. другой термопары. В момент равновесия (компенсации) Ех = kE2, или k = - ^ - , где 0 < k < 1.

Наряду с рассмотренными схемами, выполняющими самостоя­ тельные функции контроля, применяются схемы с термопарами, являющиеся частью следящей измерительной системы. Такие системы (см. рис. 70, 71) обладают лучшими динамическими свой­ ствами, так как обеспечивают сокращение длительности переход­ ного процесса в десятки раз по сравнению с длительностью у ра­ зомкнутых систем с термопарами.

При измерении некоторых величин (скорость, расход, влаж­ ность и др.) термопары применяются в качестве не только термо­ приемников, но и нагревателей, т. е. наряду с эффектом Зеебека используется эффект Пельтье, который заключается в том, что при пропускании через термопару тока ее спаи в зависимости от полярности тока будут нагреваться или охлаждаться. Таким об­ разом, в каждом конкретном случае представляется возможность выбора того или иного эффекта.

Иногда одна и та же термопара служит попеременно то термо­ приемником, то нагревателем [42]. В некоторых случаях [44] одна термопара служит нагревателем, а другая — термоприем­ ником. При этом спай-нагреватель и спай-измеритель либо рас­ полагаются рядом, либо свариваются друг с другом. Подобные

Наличие в мостовых схемах нескольких элементов в виде плеч и диагоналей обеспечивает возможность соединения схем между собой; включение в них других элементов в виде термопар, нагре­ вателей и устройств компенсации обусловливает весьма большое число их модификаций. Общим вопросам мостовых схем посвя­ щен ряд специальных монографий, например [37, 64, 80]. Сравни­ тельный анализ мостовых схем с металлическими и полупроводни­ ковыми сопротивлениями приведен в работах [1, 34, 39].

164

Для измерения тепловых величин находят применение обе основные группы мостовых схем — неуравновешенные и уравно­ вешенные. Первые требуют стабилизированного питания, вторые обладают инвариантностью по отношению к изменениям напря­ жения питания. Такое различие схем объясняется тем, что в не­ уравновешенных схемах (рис. 95, а) измеряется ток / в диаго­ нали вг, в выражение для которого входит напряжение питания:

в момент равновесия схемы, когда ток в измерительной диагонали

Рис. 95. Схемы неуравновешенного (а) и уравновешенного (б) мостов

отсутствует, а измеряемой величиной является соотношение со­ седних сопротивлений, обусловленное положением движка рео­ хорда (точка в).

Для сравнения наиболее распространенных схем одинарных мостов по величине чувствительности в табл. 6 приведены дан­ ные испытаний в лабораторных условиях, выполненных с одним и тем же вторичным прибором — электронным потенциометром типа ЭПД. Значения сопротивлений плеч набирались на мага­ зинах сопротивлений.

Рассматриваемые схемы могут применяться для измерения либо температуры tx при стабилизированной температуре t2, либо разности этих температур. Наиболее чувствительны симме­

возможно реализовать в конструкции прибора, в частности из-за недостатка места для термопреобразователя. В этом случае реко­ мендуются схемы 2 и 7, обладающие меньшей чувствительно­ стью.

165

Т а б л и ц а 6

Характеристики мостовых схем для измерения температуры (t), скорости потока (v) и теплопроводности (X)

Все приведенные в табл. 6 схемы находят применение для изме­ рения не только температуры, но и других параметров процессов: скорости потока, расхода, концентрации и др. При этом иногда термозависимые сопротивления подогреваются специальными на­ гревателями [76]. В таких случаях между нагревателем и термо­ приемником возникает тепловая емкость, которая является источ­ ником дополнительных динамических погрешностей. Там, где улучшение динамических характеристик измерительного устрой­ ства необходимо, могут оказаться более приемлемыми схемы с мень­ шей чувствительностью (3, 4, 5, 8, 9 и 10), в которых одно из со­ противлений совмещает в себе функции термоприемника и на­ гревателя (R2 на схемах 3 и 8, R4 на схемах 4, 5, 9 и 10).

Очень важным условием хорошей работы мостовой неуравно­ вешенной схемы с термоприемниками-нагревателями является электрическая и тепловая симметрия плечевых элементов, вы­ полняющих одновременно функции термоприемника и нагрева­ теля. При этом должно выполняться требование полного совпа­ дения вольт-амперных характеристик соседних элементов. Не­ симметрия элементов проявляется в том, что при изменении напряжения питания сбалансированного моста выходное напряже­ ние его изменяется по неопределенному закону. Это вносит боль-

166

him Погрешности от колебаний питающего напряжения и затруд­ няет использование схем температурной компенсации.

Для обеспечения тепловой симметрии элементов необходимо выполнить следующие требования: J) равенство сопротивлений

вхолодном состоянии; 2) равенство температурных коэффициен­ тов; 3) одинаковые условия теплоотдачи. Теплоотдача от обмотки

вокружающую среду зависит от многих конструктивных фак­ торов; наружных размеров элемента, качества поверхности, гу­ стоты намотки витков, контакта между витками и покрытием, теплопроводности защитного слоя, расстояния до ближайших

лем и передвигающим движок реохорда. Схемы таблицы 6 предназначены для измерения разностей температур. Наиболее широко применяется для этой цели схема 7, в которой термоза­ висимые сопротивления R1 и R2 помещены по обеим сторонам реохорда. Если разность температур мала, то чувствительность усилителя может оказаться недостаточной. В таких случаях сле­ дует увеличить напряжение питания или установить повышаю­ щий трансформатор между измерительной схемой и усилителем.

При некоторых фиксированных значениях термосопротивлений

где Rnp — приведенное сопротивление из сопротивлений рео­ хорда Rp, шунта £?ш и подгоночного Rn. В этом случае движок находится в точке б. При изменении сопротивлений на вели­ чины ARX и AR2 уравнение равновесия можно записать в виде

167

При измерении температуры металлическим термосопротивле­ нием оно включается в соседнее с реохордом плечо, например RJ. Уравнение шкалы будет линейным и имеет вид

Rбв

Вслучае, когда от термоприемника требуются минимальные

размеры, большая чувствительность и меньшая инерционность,

Они включаются в противоположное плечо моста по отноше­ нию к реохорду, например R3. При таком включении типовые

168

реохорды позволяют измерять температуру в широком диапазоне. Уравнение шкалы становится нелинейным и имеет вид

полупроводниковых термоприемников, расчет температурных по­

М

для ограничения тока через «мокрый» термометр Rt , сопротив­ ление R9 — для регулировки чувствительности измерительной схемы. При помощи сопротивлений R4 и R5 осуществляется под­ гонка пределов шкалы прибора. Разность потенциалов на вер­ шинах аб диагонали моста / пропорциональна температуре «су­ хого» термометра Rt , а разность потенциалов на вершинах ав диагонали моста / / — температуре Rt .

В этой измерительной схеме осуществляется компенсация влия­ ния изменения окружающей температуры на показания психро­ метра. Это свойство позволяет применять ее также для измерения других тепловых величин.

Логометрические измерительные системы

Логометрические системы обладают весьма ценным свойством нейтрализовать влияние мешающих факторов при измерении раз­ личных величин. Так, магнитоэлектрические логометры практи­ чески нечувствительны к изменению напряжения питания в пре­

гается освобождение результатов измерения от посторонних факторов уи у2, . . ., (например, температуры окружающего воздуха и исследуемой среды, напряжения питания, плотности, вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды и т. п.), влияю­ щих на величину хх. Такими условиями являются зависимости хх и х2 от у в форме

и равенство /х = kfz, где k — любой постоянный коэффициент.

169