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

ний скоростей и расходов и т. д.), поэтому показания прибора не будут зависеть от изменения этих факторов.

Введением в диагонали мостов напряжений U\ (у) и U2 (у), зависящих от изменения величин, вызывающих погрешности из­ мерения, получают схему счетно-решающего устройства для автоматического введения поправок на влияние мешающих фак­ торов.

К логометрическим относятся также измерительные схемы с термопарами для измерения отношений двух температур или разностей температур (см. рис. 93).

2 4 . И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы С У С Т Р О Й С Т В А М И К О М П Е Н С А Ц И И Н Е И Н Ф О Р М А Т И В Н Ы Х Ф А К Т О Р О В

Неинформативными факторами, которые вносят дополнитель­ ные погрешности измерения, могут быть: 1) изменение напряже­ ния питания измерительной схемы: 2) изменениетемпературьюкружающей среды; 3) изменение значений измеряемых температур; 4) изменение термических свойств среды, появляющееся с изме­ нением состава или температуры среды; 5) нелинейность градуировочных характеристик термоприемников; 6) различие характе­ ристик полупроводниковых термоприемников; 7) изменение со­ противлений проводов.

Для уменьшения дополнительной погрешности от изменения напряжения питания неуравновешенных мостов с термосопротив­ лениями в автоматических приборах применяются различные логометрические схемы, в том числе приведенные на рис. 98, 99.

Этот способ, как указывалось, обеспечивает также компенса­ цию погрешностей от изменения температуры окружающей среды.

В серийных автоматических мостах переменного тока питание моста и усилителя осуществляется от раздельных обмоток одного

В уравновешенных мостах величина напряжения питания не влияет на величину тока в измерительной диагонали, т. е. эта схема является инвариантной относительно напряжения питания.

Влияние температуры среды компенсируется применением

171

сопротивление RK и сопротивление манганинового шунта Rm таким образом, чтобы обеспечить почти полную независимость

При выполнении остальных трех плеч из манганина напряже­ ние небаланса моста будет определяться только изменением ско­ рости потока.

Это равенство во всем диапазоне компенсации может выполняться лишь приближенно. При изменении скорости также возможна лишь приближенная компенсация.

В момент равновесия моста, т. е. при v — v0, ток l t в рабочем

где ^ — добавочное сопротивление; R — сопротивление плеч АД

172

висимость aF =- f (v) определяется экспериментально с помощью схемы уравновешенного моста, работающего в режиме постоян­

откуда

Анализ показал, что погрешность измерения скорости по описанному методу при v = 7 м/с для термоанемометра типа ММТ-6 не превышает 2,8%, в схеме с компенсатором в плече преобразователя (рис. 102) достигает 5,6%, а без компенсации—• 31% .

При измерении разности температур мостовыми схемами возни­ кают погрешности от возрастания абсолютных температур.

Рассмотрим схему (рис. 103) с металлическими термозависи­ мыми сопротивлениями R1 и R2 и постоянным сопротивлением R3. Если принять сопротивление измерительного прибора R = оо, то напряжение на его зажимах будет

откуда видно, что возрастание температур tx и t3 при неизменной величине ARt снижает чувствительность измерительного прибора. Погрешность измерения разности температур при изменении абсо­ лютного значения tx на 50° С и при At = 10° С достигает 30% [39].

173

Из (IV.8) следует, что для уменьшения рассматриваемой тем­ пературной погрешности U0 должно быть постоянным, a 2Ra >

»Ri+R*-

Изменение чувствительности схемы в зависимости от измене­ ния абсолютных значений температур автоматически компенси­ руется изменением U0. Элемент компенсации состоит из полупро­ водникового термоприемника /^.воспринимающего температуру t b и постоянного сопротивления Rm. Величина шунта Rm находится из уравнения [35]

пенсирующего элемента, рассчитанного по формуле (IV.9), из­

мента применен вспомогательный мост, составленный из намотан­ ных на один общий каркас четырех сопротивлений из того же

174

чески вручную. Для этого в цепь питания моста включается пере­

—I Rk

max

Максимальное значение корректирующего сопротивления

где Ri —сопротивление термометров при минимальном зна­

Рис. 105. Измерительная схема с подачей ком­ пенсирующего сигнала через дополнительный реохорд

Термостатирование прибора является одним из радикаль­ ных способов уменьшения статических погрешностей от темпера­ турных изменений теплофизических параметров исследуемой среды. Однако теплоизоляция влечет за собой увеличение дина­ мических погрешностей. Рассмотренные в предыдущем параграфе логометрические схемы до определенной степени обеспечивают частичную компенсацию погрешностей от изменения температуры и состава среды в таких приборах, как газоанализаторы, расходо­ меры, анемометры и др. Недостижимость полной компенсации объясняется различным характером зависимостей теплофизиче­ ских параметров среды от температуры. Например, у воздуха с повышением температуры теплопроводность к увеличивается, плотность р и теплоемкость с воздуха практически не изменяются, а кинематическая вязкость v уменьшается; у воды к и v увеличи­ ваются, с остается без изменения, а р уменьшается.

Электронные потенциометры или мосты дают возможность осуществить схему (рис. 105) с подачей компенсирующего сиг­ нала через дополнительный реохорд [1]. Посторонние факторы вносят в некоторые приборы (газоанализаторы, солемеры, расходо.- меры и др.) погрешности, которые, как правило, пропорциональны абсолютной величине выходной э. д. с :

Д£/2 = / ( / , р, к, . . .) и г .

175

От приемных преобразователей компенсируемых величин в вы­ ходную цепь мостовой схемы подаются э. д. с. Ut, Ux через до­ полнительный реохорд R3, который обеспечивает пропорциональ­ ность поправок показаниям прибора. Для более точной подгонки может быть изготовлено с соответствующей зависимостью со­ противление от перемещения движка.

Компенсацию влияния неинформативных факторов можно осуществить, если мостовую схему питать от источника с напря­ жением, зависящим от этих факто­ ров. Такая схема (рис. 106) исполь­ зуется в магнитных газоанали­ заторах [1], но может найти при­ менение и в других приборах.

Зажимами диагонали питания мост с термозависимыми сопротивлениями Rl—R4 включен как плечо другого моста с постоянными сопротивле­ ниями R5 и R6 и термозависимыми сопротивлениям Rt.

ществлена включением соответствующих преобразователей в цепь сопротивлений Rt или R6.

Рассмотренная схема, будучи замкнутой измерительной схе­ мой теплового уравновешивания, улучшает динамические харак­ теристики прибора, так как сокращает время переходного про­ цесса в десятки раз по сравнению с обычными мостами.

Нелинейность градуировочных характеристик приходится учитывать при измерении малых разностей температур с помощью дифференциальных термопар.

Изменение чувствительности схемы с дифференциальной термо­ парой компенсируется включением параллельно милливольтметру корректирующей цепочки, состоящей из терморе^истора Rt с от­ рицательным температурным коэффициентом и постоянного со-

J76

противления R (рис. 107, а). Методика расчета сопротивлений приводится в [35]. Другой метод [69] заключается в применении компенсцаионной термопары (рис. 107, б). Последняя может быть составлена из электродов, отличных от электродов основной термопары. Сущность метода заключается в компенсации нели­ нейности встречным напряжением, снимаемым с делителя Rl—R2, к которому подключена компенсационная термопара.

а)

\—1Г

Рис. 107. Схемы включения корректирующих элементов в измерительную цепь с термопарами

При использовании полупроводниковых термоприемников часто решается задача обеспечения взаимозаменяемости и умень­ шения нелинейности. Решение таких задач [65] заключается

Рис. 108. Контуры взаимозаменяемости

в деформации температурных характеристик терморезистора при помощи дополнительных линейных термонезависимых сопротив­ лений, включаемых последовательно и параллельно с термоприем­ никами (рис. 108).

Схемы таких контуров взаимозаменяемости с двумя дополни­ тельными сопротивлениями (рис. 108, а, б) обеспечивают совпа­ дение характеристик полученных взаимозаменяемых цепей только

вдвух крайних точках tx и t2 температурного диапазона (рис. 109).

Всередине же диапазона (при температуре t3) имеет место рас­ хождение сопротивлений контуров взаимозаменяемости на ве­ личину AR.

ником динамических погрешностей. Она выражается в том, что измеряемая величина не успевает «следить» за изменениями кон­

тракта Лео. Обычно существенная полоса частот контролируемого процесса устанавливается исходя из условий измерений и поэтому считается известной величиной. Величина А со рассчитывается исходя из условий теплообмена в зоне измерения.

Для улучшения динамических свойств измерительного тракта применяется несколько методов. Наиболее простым из них яв­ ляется изменение конструкции преобразователей (уменьшение массы и относительное увеличение поверхности теплообмена, при­ менение более теплопроводных материалов и т. д.).

Однако объект контроля накладывает свои ограничения на прочность и конструкцию преобразователя. Дело в том, что в объ­ екте контроля преобразователь находится в непосредственном

178

Тепловом контакте с Контролируемой средой. При этом он под" вержен различным воздействиям — механическим (давление среды, твердые включения в потоках, турбулизация потока вращающи­ мися частями аппарата и т. д.), тепловым (высокие температуры расплавленных металлов и шлаков, газовых потоков реактивных двигателей и турбин), химическим в агрессивных средах. Поэ­ тому, как правило, на конструктивные решения преобразователя с целью уменьшения инерционности объект контроля ставит жесткие ограничения.

В тех случаях, когда конструктивным путем не достигается достаточного уменьшения инерционности, широко применяют электрические корректирующие устройства.

Метод электрической коррекции заключается в изменении структуры измерительной цепи путем включения в нее специаль­ ного корректирующего устройства, подбором параметров кото­ рого можно добиться значительного увеличения быстродействия всей измерительной системы. При правильной настройке коррек­ тирующего устройства достигается результат, подобный тому, какой можно получить применением преобразователя с меньшей инер ционностью.

Передаточная функция идеальной безынерционной системы

Передаточная функция одноемкостного теплового преобразо­ вателя выражается так:

Возьмем пример, когда коррекция осуществляется последова­

Это может быть достигнуто в том случае, если передаточная функ­

При этом постоянные времени преобразователя и корректирую­ щего звена равны между собой, т. е.