книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

Наиболее распространены термопары, проводники которых (термоэлектроды) изготовлены из следующих сплавов:

1) хромель-копель; эти термопары имеют условное обозначение ТХК; развивают т. э. д. с. при tx = 100° С и t0 = 0° С, равную 6,95 мВ; их применяют для измерения температур до 700° С;

2) хромель-алюмель; эти термопары имеют условное обозначе­ ние ТХА; развивают т. э. д. с. при tx = 100° С и t0 = 0° С, равную 4,1 мВ; их применяют для измерения температур до 1200° С;

3) платина—платинородий; эти термопары имеют условное обо­ значение ТПП; развивают т. э. д. с. при tx = 100° С и t0 = 0° С, равную 0,64 мВ; их применяют для измерения температур до 1600° С.

Для изготовления термопар используют электроды в виде про­ волоки диаметром 0,5—3,2 мм. Термоэлектроды соединены только в рабочем конце; по всей остальной части они изолированы один от другого. Термоэлектроды помещают в защитный чехол, предо­ храняющий их от механических повреждений и воздействия агрес­ сивных сред. Защитный чехол для температур до 1000° С изготовляют из стали, а для более высоких температур — из фарфора.

Измерительный прибор градуируют вместе с той термопарой, с которой он нормально работает (например, с хромель-копелевой, тогда на шкале прибора стоит индекс ГрХК), и с вполне определен­ ным значением внешнего по отношению к нему сопротивления со­ единительных проводов. Эта величина обозначается R BHи может быть равна 5; 15 или 25 Ом, тогда на шкале прибора может быть указано R EU= 5; 15 или 25 Ом. Места присоединения проводов к термо­ электродам должны иметь одинаковую и постоянную температуру, при которой градуировали измерительный прибор. Термопару де­ лают достаточно длинной, и свободный спай выносят за пределы измеряемого пространства.

Для определения истинной температуры в показание прибора необходимо ввести поправку по следующей приближенной формуле:

t —t' = (t’0—t0)K,

где t — искомая температура горячего спая; f — температура холодного спая в момент измерения; t'ü — температура горячего спая, измеренная прибором; to — температура холодного спая при градуировке прибора; К —-^поправоч­ ный коэффициент, зависящий от характера градуировочной кривой.

Для различных термопар одного и того же наименования по­ правочный коэффициент приблизительно одинаков. Его указывают в паспортных и справочных данных. Для точных лабораторных измерений свободные концы термопар помещают в сосуд с тающим льдом, благодаря чему их температура остается строго постоянной. При менее точных замерах свободные концы помещают в массивную малотеплопроводную коробку, снабженную ртутным термометром, по показаниям которого вносят поправку в показания милливольт­ метра. На практике часто ограничиваются лишь тем, что электроды термопары удлиняют до места установки милливольтметра, а изме­ нением температуры окружающей среды в месте его установки пре­ небрегают,

40

Для удлинения электродов термопары применяют и так называе­ мый компенсационный провод, который представляет собой изоли­ рованный провод с двумя жилами, изготовленными из тех же спла­ вов, что и электроды термопары, или из материалов, которые в паре с материалом термопары при температуре до 100° С не развивают т. э. д. с., искажающую показания приборов. Например, в компен­ сационном проводе для платина-платинородиевой термопары одна жила изготовлена из меди, а вторая — из медно-никелевого сплава (99,4 Си + 0,6% Ni); для хромель-алюмелевой термопары — из ме-

ди и константана (сплав 60% Си + 40% Ni); для хромель-копеле- вой термопары — из хромеля и копеля.

Для компенсации температуры холодных спаев можно применять мостовую схему. Одну из ветвей соединительных проводов подклю­ чают в диагональ неравновесного измерительного моста (рис. II 1.11). В другую диагональ подключают посторонний источник энергии.

При градуировочной температуре холодных спаев (t = 20° С) мост находится в равновесии, потенциалы в точках диагонали а и Ь одинаковы, поэтому мост не будет влиять на величину т. э. д. с., возникающую в термопаре. При отклонении температуры окружаю­ щего воздуха от градуировочной сопротивление R i изменится (так как изменится температура медной проволоки); в точках а и b в ре­ зультате изменения температуры холодных спаев возникает разность потенциалов, равная по величине изменению т. э. д. с. термопары, но противоположная по знаку. Она скомпенсирует изменение т. э. д. с. термопары под воздействием температуры окружающей среды, и показания электрических приборов будут зависеть только

тока, протекающего по рамке, под действием т. э. д. с. с магнитным полем постоянного магнита, в котором эта рамка помещена.

41

Рамка прибора 1 (рис. III. 12) состоит из витков тонкой изоли­ рованной проволоки. Рамку размещают между полюсами постоян­ ного магнита 2 таким образом, чтобы ее витки при отсутствии тока были параллельны направлению магнитных силовых линий. Когда по рамке протекает ток, то вследствие его взаимодействия с маг­ нитным полем возникают силы, пропорциональные напряжению магнитного поля и току в рамке/. Рамка жестко соединена со стрел­ кой 3 и может поворачиваться вокруг сердечника 4. У опор рамки расположены две противодействующие спиральные пружины 5

1

Рис. II 1.12. Милливольтметр МПЩПр

(нижняя пружина на рисунке не видна). Один конец каждой пру­ жины прикреплен к рамке и соединен с ее обмоткой, другой конец верхней пружины прикреплен к оси рычага корректора нуля 6, а нижней пружины — к неподвижной стойке (на рисунке не показа­ на). Через эти пружины поступает ток в рамку милливольтметра.

Промышленность выпускает переносные милливольтметры и щи­ товые показывающие приборы двух типов — с профильной и плос­ кой шкалой. Кроме того, выпускают милливольтметры для записи температуры на диаграммной ленте (до шести точек одновременно), а также регулирующие милливольтметры.

§ III.5. ПОТЕНЦИОМЕТРЫ

Если измерять малую величину т. э. д. с. прямым методом, т. е. обычным милливольтметром, то погрешность измерений может быть довольно велика. Эта погрешность возникает за счет изменения со­ противления соединительных проводов, переходных контактов и рамки измерительного прибора, изменения жесткости пружин и трения в подшипниках, размагничивания постоянного магнита,

42

влияния внешних магнитных полей и т. и. Более совершенным и точным является компенсационный метод измерения, при котором показания прибора не зависят от перечисленных выше факторов. Принцип компенсационного метода измерения заключается в урав­ новешивании неизвестной измеряемой э. д. с. заранее известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Для измерения малых э. д. с. компенсационным методом применяют приборы, называемые потенциометрами.

Принципиальная схема измерения э. д. с. термопары компенса­

на Я, когда напряжение меж­ ду точками А В реохорда точ­ но равно э. д. с. термопары, ток в цепи нуль-прибора бу­ дет равен нулю. По положе­ нию ползуна Я в этот момент (когда прибор НП показывает нуль) можно определять ве­ личину измеряемой э. д. с. Таким образом, если с осью ползуна Я жестко связать стрелку С, то она на. соот­ ветственно отградуированной шкале в момент, когда ток

через нуль-прибор не протекает (т. е. в момент полной компенсации), будет показывать либо э. д. с. термопары в милливольтах, либо пря­ мо измеряемую температуру в градусах.

При таком методе измерения сопротивление соединительных проводов, переходных контактов и самого нуль-прибора не оказы­ вает влияния на результат измерения, так как отсчет производится при полной компенсации, когда ток в измерительной цепи равен нулю. Однако для того, чтобы одно и то же положение ползуна Я в момент полной компенсации всегда точно соответствовало одной и той же величине измеряемой т. э. д. с., необходимо, чтобы напря­ жение на сопротивлении было строго постоянным. Это может быть достигнуто поддержанием постоянной величины тока, протека­ ющего по реохорду АБ. Чтобы постепенное снижение напряжения сухого элемента не вносило погрешность в измерения, в приборах предусмотрена контрольная цепь, позволяющая периодически сравнивать напряжение сухого элемента с напряжением нормаль­ ного элемента и подстраивать измерительную цепь так, чтобы обес­

43

печить постоянство тока в компенсирующем реохорде. Э. д. с. нор­ мального элемента при температуре 20° С равна 1,01860 В. Нормаль­ ный элемент нельзя нагружать током более 10 мкА, так как это может вызвать невосстанавливаемые изменения его э. д. с.

Принципиальная схема потенциометра с контрольной цепью показана на рис. III. 14. Сухой элемент СЭ питает реохорд R p по­ следовательно через эталонное сопротивление /?Нэ и регулируемое сопротивление R B- При измерении т. э. д. с. термопары Т переключа­ тель находится в положении И. Для контроля тока в цепи реохор­ да, или, как говорят, для стандартизации тока, переключатель П

Рис. III.14. Схема потенциометра с контрольной цепью

ставят в положение R. При этом термопара Т отключается от схе­ мы, а нормальный элемент НЭ подключается так, что его напряжение сравнивается с напряжением на эталонном сопротивлении ДнэВеличина эталонного сопротивления выбрана так, чтобы при про­ текании по нему номинального для данного прибора тока падение напряжения на сопротивлении R нэ было бы точно равно напряже­ нию нормального элемента (1,0186 В). Таким образом, при перево­ де ключа К влево нуль-прибор должен показывать нуль. Если ток в измерительной цепи станет меньше номинального, то НП при стан­ дартизации не будет показывать нуль. В этом случае необходимо уменьшать регулируемое сопротивление R B д о получения нуля на нуль-приборе. Следовательно, при стандартизации снижение напряжения сухого элемента компенсируется уменьшением сопро­ тивления R B и величина напряжения на реохорде R p сохраняется

постоянной.

В компенсационных схемах нуль-гальванометр является при­ бором, служащим только для обнаружения тока, а не для его изме­

4 4

рения. Точность измерения компенсационным методом зависит от чувствительности нуль-прибора.

Потенциометры выпускают с ручным и автоматическим управле­ нием. В современных автоматических электронных потенциометрах в качестве нуль-прибора используют электронный усилитель с боль­ шим коэффициентом усиления. Неавтоматическими потенциомет­ рами с ручным управлением, т. е. с ручной подгонкой переменного сопротивления, измеряют температуры в лабораторных условиях и проверяют показания промышленных приборов.

Автоматические потенциометры широко применяют для изме­ рения, записи и регулирования температуры в комплекте с термо­ парами стандартных градуировок. Кроме того, потенциометры ис­ пользуют как вторичные приборы, работающие с различными пре­ образователями постоянного тока и напряжения. Потенциометры могут измерять параметр в одной или нескольких точках, поэтому их подразделяют на одноточечные и многоточечные (3, 6, 12 и 24 точки). Точки контроля переключают вручную или автоматически

§ ІІІ.6. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ

Термометры сопротивления применяют для измерения темпера­ туры от —200 до +650° С. Их действие основано на свойстве метал­ лов увеличивать электрическое сопротивление при нагревании. Теплочувствительный элемент термометра сопротивления пред-, ставляет собой тонкую проволоку (медную или платиновую), спи­ рально намотанную на каркас и заключенную в чехол. Длина, сечение и электрическое сопротивление проволоки при температу­ ре 0° С строго определенные. Измеряя прибором сопротивление термометра сопротивления, можно точно определить его температу­ ру. Чувствительность термометров сопротивления определяется температурным коэффициентом сопротивления материала, из ко­ торого сделан термометр, т. е. относительным изменением сопротив­ ления термометра при нагревании его на Г.

Электрическое сопротивление металлических проводников су­ щественно изменяется в зависимости от температуры. Так, например, сопротивление термометра, выполненного из платиновой прово­ локи, изменяется примерно на 0,36% при изменении температуры на Г. Зависимость между электрическим сопротивлением металлов и их температурой может быть выражена следующей формулой:

— До (1 + а 4).

Например, электрическое сопротивление платиновой проволоки при нагревании от 0 до 500° С увеличивается почти в 3 раза, мед­ ной проволоки при нагревании от 0 до 100° С — в 1,5 раза.

45

Достоинствами электрических термометров сопротивления яв­ ляются: хорошо читаемая шкала у вторичных приборов, градуи­ ровка шкалы вторичного прибора на любой температурный ин­ тервал в пределах допустимых температур, возможность сосредо­ точения через переключатель на одном измерительном устройстве показаний нескольких температурных точек, находящихся в раз­ ных местах, автоматическая запись теплового режима при помощи самопишущих приборов, применение автоматического регулирова­ ния температуры и др.

Термометр сопротивления (рис. III. 15) состоит из чувствитель­ ного элемента 1 — платиновой проволоки диаметром 0,05—0,07 мм или медной проволоки диаметром 0,1 мм,—защищенного арматурой 2. В верхней части термометра имеется литая алюминиевая соедини­ тельная головка. Медный чувствительный элемент ТСМ применяют для измерения температур от —50 до +180° С, а платиновый ТСП— от —200 до +650° С (см. таблицу).

Классификация термометров сопротивления

46

Широкое применение в качестве температурных преобразовате­ лей находят полупроводниковые термосопротивления (термисто­ ры). Они характеризуются большим отрицательным температур­ ным коэффициентом. Это значит, что с повышением температуры сопротивление термисторов уменьшается, причем относительное из­ менение сопротивления их значительно больше, чем термометров сопротивления, и достигает 6% на Г С. Сопротивление и темпера­ турный коэффициент отдельных экземпляров термосопротивлений даже одного и того же типа неодинаковы. Поэтому при использова­ нии термисторов в качестве температурных преобразователей для измерения температуры требуется индивидуальная подгонка граду­ ировки измерительного прибора в каждом отдельном случае.

В комплекте с термометром сопротивления могут работать элек­ троизмерительные приборы, фиксирующие изменения сопротивле­ ния: логометры и автоматические электронные мосты.

Логометры являются магнитоэлектрическими приборами, у ко­ торых в отличие от пирометрических милливольтметров подвижная система состоит не из одной рамки, а из двух, расположенных одна под углом к другой и жестко скрепленных между собой на отдель­ ной оси. Угол поворота рамок <р, а следовательно, и стрелки, скреп­ ленной с ними, будет функцией отношения токов в обеих рамках:

где ц и г2 — токи, протекающие по рамкам.

Действие логометра заключается в следующем. В поле посто­ янного магнита NS (рис. III.16) помещают две рамки А и Б, скреп­ ленные между собой. Рамки могут вращаться. Ток, идущий от источника тока Е, разветвляется в точке 1 и проходит с одной сто­ роны через постоянное сопротивление R в обмотку рамки Б, ас дру­ гой— через термометр сопротивления ТС в обмотку рамки А. Пройдя обмотки, оба электрических тока іх и г2 встречаются в точке 2 и направляются к точке 3. Катушки рамок намотаны таким обра­ зом, что проходящий по ним ток создает моменты вращения, на­ правленные в противоположные стороны.

Как видно из схемы, подвижная система рамки вращается в за­ зоре между башмаками магнита NS и сердечником 4, имеющим фор­ му эллипса. Ширина зазора по пути вращения рамок неодинакова, вследствие чего и магнитное поле будет неодинаково: там, где за­ зор меньше, магнитное поле сильнее, и наоборот. Проходя по об­ мотке рамки А, ток і2 создает момент вращения М г, направленный по часовой стрелке; ток іг создает момент вращения М 2, направлен­ ный в противоположную сторону. Если сопротивления R и ТС рав­ ны, то іг = г2, а Mj = М2.

При увеличении сопротивления термометра ТС (из-за нагрева­ ния) величина тока і2 станет меньше, а вместе с этим уменьшится и момент Mlt вследствие чего рамки начнут поворачиваться в на­ правлении против часовой стрелки. При этом рамка Б, по которой течет ток большей силы, попадает в область более широкого за­

47

зора, где магнитное поле слабее, а рамка А, наоборот, в область более сильного поля. Так как моменты вращения М 2 и М г прямо пропорциональны напряжению магнитного поля, то величина мо­ мента М 2 начнет уменьшаться, а величина момента М г, наоборот, увеличиваться. Находясь в полях неодинаковой силы, рамки А и Б снова вернутся в равновесное положение. Это произойдет тогда, когда моменты М х и М г сравняются по величине. ТокиіТ и іг про­ порциональны напряжению источника тока Е и при его изменении также изменяются в одинаковой степени. Следовательно, показания логометра не завйсят от напряжения источника тока. Практически логометр не вносит дополнительной погрешности, если напряжение питания колеблется в пределах ±20% .

На рис. III. 17 дана схема включения логометра ЛПр в комплекте с термометром сопротивления. На задней панели прибора А рас­ положены четыре клеммы. Термометр сопротивления ТС подклю­ чен к клеммам 1 и 2, а источник питания Б (напряжением 4 В)— к клеммам 1 и 3, причем плюс подключен к клемме 3. Клемма 4 па­ нели предназначена для проверки правильности установки прибора. Для проверки установки логометра соединительный провод с клем­ мы 2 логометра соединяют с клеммой 4. Провода у ТС закорачивают. Если при включении питания стрелка логометра устанавливается на красной черте шкалы, то это указывает на правильность монта­ жа и симметричность соединительных линий по сопротивлению.

Для измерения и записи температуры применяют щитовой про­ фильный самопишущий логометр ЛСІДПр. Этот логометр представ­ ляет собой показывающий самопишущий прибор, который в одно­ точечном или многоточечном (до шести точек) исполнении имеет устройство для двухили трехпозиционного регулирования. Основ­ ные узлы прибора — измерительный механизм, лентопротяжный механизм, коммутирующее устройство и привод кинематической

мов осуществляется от двигателей при помощи зубчатых передач. Лентопротяжный механизм служит для продвижения диаграммной ленты. Скорость продвижения ленты (20 или 40 мм/ч) изменяют пере­ становкой соответствующей пары зубчатых колес в редукторе. Механизм записи служит для нанесения показаний прибора на диа­ граммную ленту и состоит из профильного кулачка, который подни­ мает и опускает падающую дужку. Дужка через красящие ленты печатает на диаграмме измеряемую температуру. Одновременно с подъемом дужки поворачиваются на определенный угол храпо­ вик и качалки красящих лент, а через винтовую пару — щетки пе­ реключателя термометров сопротивления.

В качестве вторичного прибора, работающего в комплекте с тер­ мометром сопротивления, помимо логометра могут быть применены уравновешенные электрические измерительные мосты. Измеритель-

48

ные мосты выпускают с ручным и автоматическим управлением. На рис. III. 18 показана схема измерения сопротивления термометра сопротивления уравновешенным мостом.

Уравновешенный электрический мост состоит из сопротивлений,

определенное положение ползуна Д, обеспечивающее равновесие схе­ мы. Если с осью ползуна Д связать стрелку, перемещающуюся по соответственно градуированной шкале, то стрелка в момент равно­ весия измерительного моста будет показывать температуру, изме­ ряемую термометром сопротивления # тс. На положение стрелки такого прибора в момент равновесия не будут оказывать влияния колебания питающего напряжения. Почти во всех современных элек­ тронных измерительных приборах (и в автоматических электрон­ ных мостах) используют компенсационный (или нулевой) метод из­ мерения, причем компенсация (или уравновешивание) осуществля­ ется автоматически.

Электронный автоматический уравновешенный мост вместе с термометром сопротивления представляет собой прибор, предна­ значенный для измерения, записи и регулирования температуры. Электронные мосты подразделяют по числу точек измерения и за­ писи на одноточечные и многоточечные (1, 3, 6, 12 и 24-точечные), а по форме диаграммы, на которой производится запись, — на при­ боры с ленточной и дисковой диаграммами. Электронные мосты — весьма точные приборы; их выпускают с классом точности 0,25 и 0,5.

49