книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

измерений должны соответствовать значениям класса точности; вариация показаний (записи или выходных сигналов) прибо­ ров не должна быть более абсолютной величины предела допуска­

емой основной погрешности; непостоянство показаний (записи или выходных сигналов), под

которым понимается разность между показаниями прибора при многократных поверках в одинаковых условиях при прямом или обратном ходе, не должно быть более половины абсолютной вели­ чины предела допускаемой основной погрешности.

Изменение показаний манометрических термометров А в про­ центах от диапазона измерений по шкале, вызванное отклонением температуры окружающего воздуха от номинального значения 20±2° С для термометров класса 1,0 и 20±5° С для термометров классов 1,5; 2,5 и 4,0, не должно быть более определяемого по уравнению

k — температурный коэффициент на 1°С, который не дол­ жен быть более:

0,05 — для термометров с газовым заполнителем;

0,075 — для термометров с жидкостным заполнителем;

0,04 — для термометров с конденсатным заполнителем;

0,035 — для термометров со специальным заполнителем;

Аt — абсолютное значение отклонения температуры окружа­ ющего воздуха от номинального значения.

Термоэлектрические термометры. Измерение температуры тер­ моэлектрическими термометрами основано на свойстве металлов и их сплавов развивать в паре между собой термоэлектродвижущую силу, являющуюся при прочих равных условиях функцией темпе­ ратуры.

Если взять два проводника из разных металлов или металли­ ческих сплавов и соединить, а для надежности контакта сварить или спаять концы проводников между собой и нагреть один из спаев до некоторой температуры t, более высокой, чем темпера­

пары. Второй конец, имеющий более низкую температуру to, назы­ вают с в о б о д н ы м к о н ц о м термопары.

Термоэлектрод, по которому ток течет в направлении от рабо­ чего конца к свободному, называют п о л о ж и т е л ь н ы м , второй термоэлектрод — о т р и ц а т е л ь н ы м . При различных сочетаниях пар термоэлектродов один и тот же термоэлектрод может быть как положительным, так и отрицательным, но в стандартных парах по­ лярность термоэлектродов вполне определенная.

47

Электродвижущую силу, вызывающую ток в термоэлектриче­ ской .цепи, называют т е р м о э л е кт р о д в и ж у щ ей с и л о й и условно обозначают т.-э. д. с. Результирующая т.-э. д. с. в термо­ электрической цепи зависит от материала термоэлектродов и от раз­ ности функций температур рабочего и свободного концов термо­ пары.

Если поддерживать температуру t0 свободного конца постоян­ ной, а рабочий конец погрузить в среду с иной температурой, рав­ ной t, то т.-э. д. с. будет пропорциональна разности функций тем­ ператур спаев. Принимая постоянной температуру свободного конца, можно построить кривую, выражающую зависимость т.-э. д. с. данной термопары от температуры ее рабочего конца.

Свойство термопар развивать т.-э. д. с. дало возможность при­ менять их в качестве измерительных первичных преобразователей в системе термоэлектрического термометра. В этом случае в цепь термоэлектродов при помощи проводов включается термометри­ ческий милливольтметр или потенциометр.

Термопары классифицируются по материалу термоэлектродов и по той защитной арматуре, в которую они заключены. Широко применяются следующие термопары:

а) для измерения температуры от —20'до +1600° С (длительно до 1300° С) используется платинородий-платиновая термопара, по­ ложительным термоэлектродом которой является платинородий — сплав, состоящий из 90% платины и 10% родия, а отрицатель­ ным — платина;

б) для измерения температуры от —50 до +1300°С (длительно до 1000° С) используется хромель-алюмелевая термопара, положи­ тельный термоэлектрод которой выполняется из хромеля — сплава 89% никеля, 10% хрома и 1 % железа, а отрицательный — из сплава

положительный термоэлектрод которой содержит 30%, а отрица­ тельный 6 % родия;

евая термопара, положительный термоэлектрод которой выполня­ ется из сплава никеля и кобальта, а отрицательный из сплава, со­ стоящего из кремния, алюминия и других металлов.

Все термопары в пределах своего типа взаимозаменяемы. Это означает, что зависимость т.-э. д. с., например всех стандартных хромель-алюмелевых термопар, от температуры рабочего конца при температуре свободных концов 0°С совершенно одинаковая. Выра­ женная в виде таблицы эта зависимость называется градуировоч­

48

на положительном зажиме всегда встречаются два положительных проводника. При этом также будет возникать паразитная т.-э. д. с., хотя и незначительная по сравнению с т.-э. д. с. пары на отрица­ тельном зажиме. Сумма т.-э. д. с. обоих свободных концов состав­ ляет т.-э. д. с., на которую необходимо вводить поправку.

Как уже было сказано, при высокой или непостоянной темпера­ туре свободных концов применяют удлиняющие провода. Эти про­ вода часто называют компенсационными, однако это название не­ правильное, так как они ничего не компенсируют. Удлиняющие провода состоят либо из тех же материалов, что и термопара, либо из материалов, дающих в паре при температуре от 0 до 100° С такую же т.-э. д. с., что и сама термопара. Последнее указание справедливо, например, для удлиняющих проводов к платиноро-

Рис. 9. Схемы подключения термопары к милливольтметру:

(отрицательный провод). Для термопар хромель-алюмель приме­

вольтметра.

В случае применения в термоэлектрической цепи удлиняющих проводов свободные концы термопары находятся в том месте, где заканчиваются удлиняющие провода. При подключении удлиняю­ щих проводов к термопаре строго соблюдается полярность, т. е. положительный провод подключается к положительному зажиму термопары, а отрицательный провод — к отрицательному зажиму.

Поправка на температуру свободных концов термопары в за­ висимости от условий вводится тремя основными методами: по гра­ дуировочной таблице, перестановкой стрелки и автоматическими устройствами.

При введении поправки методом перестановки стрелки стрелку

.выключенного милливольтметра корректором сдвигают с нулевого положения до отметки, которая соответствует температуре свобод­ ных концов термопары. После включения комплекта в работу мил­

50

ливольтметр в этом случае показывает действительную темпера­ туру рабочего конца термопары.

Иногда указанный метод применяют неправильно: сдвигают стрелку вперед на размер температуры свободных концов не в вы­ ключенном, а во включенном милливольтметре, в результате чего не учитывается неравномерность прироста т.-э. д. с.

Автоматическая компенсация температуры свободных концов термопары может выполняться в цепи термопары специальной ко­ робкой, а в автоматических электронных потенциометрах — мед­ ным сопротивлением.

Электрическая схема с компенсационной коробкой (рис. ІО) представляет собой равноплечий мост, находящийся в уравнове­ шенном состоянии лишь при температуре окружающей среды 20° С.

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема включе­ ния компенсационной коробки в цепь термоэлектриче­ ского термометра

Мост получает электрическое питание от источника постоянного тока напряжением 4 В.

В коробке имеется шесть зажимов: 1, 2 — для подключения ис­ точника питания; 3, 4 — для подключения удлиняющих проводов; 5, 6 — для подключения медных соединительных проводов, иду­ щих через уравнительную катушку Ryp (служит для подгонки со­ противления проводов) к милливольтметру.

Катушки R 1, R2 , R3 наматываются из манганиновой проволоки диаметром 0,35 мм, сопротивлением 1 ±0,002 Ом при температуре 20° С. Катушка RK имеет такое же сопротивление при тех же усло­ виях; наматывается она из медной проволоки диаметром 0,25 мм.

При отклонении температуры окружающей среды от 20° С со­ противление намотки катушки RKизменяется, мост выходит из рав­ новесия, и на вершинах а я б появляется разность потенциалов, которая равна приросту т.-э. д. с., возникающей в зажимах 3 я 4 между удлиняющими проводами и медью, но имеет противополож­ ную полярность. Вследствие этого паразитный прирост т.-э. д. с.,

51

возникающей в свободных концах, оказывается уничтоженным и по­ казания термоэлектрического термометра зависят только от темпе­ ратуры рабочего конца термопары.

При эксплуатации до подключения коробки стрелка милли­ вольтметра при помощи корректора устанавливается на отметку 20° С, что соответствует исходному значению температурной ком­ пенсации. Сопротивление, вносимое коробкой в цепь термоэлектри­ ческого термометра, составляет не более 1 ±0,05 Ом.

Коробки для различных термопар отличаются размером доба­ вочного резистора R%, которым потребляемый ток ограничива­ ется размерами от 5 до 50 мА.

В качестве измерительного прибора в термоэлектрическом тер­ мометре применяют термометрический магнитоэлектрический мил­ ливольтметр, или потенциометр.

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра ос­ нован на взаимодействии между магнитным полем, образующимся вокруг рамки, по которой течет ток, и магнитным полем, которое создается между полюсами постоянного магнита. Рамка состоит из нескольких сотен последовательных витков изолированной прово­ локи и располагается между полюсами магнита таким образом, что ось вращения перпендикулярна магнитным силовым линиям.

Для создания равномерности магнитного потока и получения равномерной шкалы внутри рамки помещается неподвижный же­ лезный сердечник в виде цилиндра. Сердечник и рамка располага­ ются между полюсными надставками. Для устранения рассеивания магнитного потока сердечник с двух сторон ограничен специаль­ ными вставками из сплава, не пропускающего магнитные линии. Для изменения магнитного потока, проходящего через сердечник, при регулировке прибора служит магнитный шунт, представляю­ щий собой железную пластинку, укрепленную на торце магнита (на полюсных надставках).

При пропускании тока по проводнику рамка стремится занять положение, перпендикулярное силовым линиям магнитного поля.

Магнитоэлектрический вращающий момент прямо пропорцио­ нален току, протекающему по проводнику рамки, числу витков рамки, радиусу закругления рамки, высоте активной части рамки и магнитной индукции в междужелезном пространстве.

Поскольку угол отклонения рамки находится в прямой зависи­ мости от т.-э. д. с. термопары, можно отградуировать-шкалу милли­ вольтметра непосредственно в градусах температуры. Разность по­ тенциалов на зажимах милливольтметра всегда меньше т.-э. д. с. термопары на размер падения напряжения во внешней цепи.

Потенциометры. На показания милливольтметров влияет изме­ нение сопротивления медной рамки при отклонении температуры милливольтметра от 20° С, при которой размечалась шкала, и из­ менение сопротивления соединительных проводов и термопары в результате изменения температуры помещения, в котором про­ ложены провода, и температуры измеряемой среды. Вследствие этого обычно погрешность измерения температуры термопарой

52

с милливольтметром составляет не менее ±1,5%. В тех случаях, когда требуется более высокая точность измерений, применяются компенсационные приборы — потенциометры, так как они не имеют указанных недостатков.

Принцип компенсационного метода измерения т.-э. д. с. термо­ пары состоит в противопоставлении измеряемой т.-э. д. с. встречной разности потенциалов от внешнего источника тока.

Компенсация (уравновешивание) т.-э. д. с. производится либо падением напряжения на калиброванном реохорде, либо разностью потенциалов на вершинах неуравновешенного моста, неравновесие которого может изменяться, а следовательно, может изменяться и разность потенциалов на его вершинах в диагонали нулевого галь­ ванометра.

Рис. 11. Принципиальная электрическая схема переносного потенциометра

Непременным условием правильной работы потенциометра яв­ ляется постоянство и определенность тока в рабочем контуре схе­ мы прибора.

Потенциометры выпускаются неавтоматического и автоматиче­ ского типов. Неавтоматические потенциометры применяются пери­ одически, а также в качестве контрольных переносных или лабора­ торных приборов. Автоматические потенциометры служат для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры в раз­ личных установках предприятий. Автоматические потенциометры регулирующего типа могут быть использованы для сигнализации об отклонениях температуры от заданной величины.

На рис. 11 приведена принципиальная электрическая схема пе­ реносного потенциометра, имеющего пределы измерения 0—71 мВ, а на рис. 12 — его упрощенная схема. Постоянство тока в цепи ис­ точника питания Б обеспечивается введением в схему нормаль­ ного элемента НЭ, развивающего строго постоянную э. д. с., равную

53

1,0190 В при 20° С. Постоянная э. д. с. при регулировке тока ком­ пенсируется разностью потенциалов на участке постоянного сопро­ тивления Янэ цепи потенциометра. При полной компенсации, т. е. при отсутствии тока в цепи нормального элемента, что контроли­ руется нулевым гальванометром НГ, имеет место следующее ра­ венство:

тока / тоже является постоянным. Равновесие в цепи нулевого галь­ ванометра НГ достигается реостатом Rver, служащим для регули­

рования тока в рабочем контуре. После того как ток в цепи источ­

ника питания Б отрегулирован, можно перейти к измерению т.-э. д. с. термопары. Перемещение ползуна вдоль реохорда г изменяет сопро­ тивление Ar, вследствие чего изме­ няется разность потенциалов, про­ тивопоставленная т-э. д. с. термо­ пары. На Аг имеется падение напря­ жения, равное ѵ= АгІ. Эта разность потенциалов может при определен­ ном размере Аг сделаться равной т.-э. д. с., т. е. получим ІІ=ЕТ. Со­ стояние этого равновесия будет отме­ чено отсутствием отклонения стрел­ ки в нулевом гальванометре НГ.

Отсюда вытекает возможность непосредственного градуирования реохорда в милливольтах, причем получается прямолинейная за­

Рукоятка пластинчатого переключателя может устанавливаться в двух положениях: И — при измерении т.-э. д. с. или напряжения и К — при контролировании тока по нормальному элементу.

При включении на Я в схему подается ток от сухого элемента Б напряжением 1,45 В. Ток идет от положительного зажима эле­ мента через регулировочный токовый реостат Ярег, пластины 2, 4, резистор RH3, реохорд г с шунтом Яш и секционированный переключатель Rc на отрицательный зажим элемента. В цепи термо­ пары ток идет от положительного зажима Т к пластине 8 пластин­ чатого переключателя, отсюда через пластину 10 к нулевому галь­ ванометру, откуда поступает на пластину 3 и через пластину 1 выходит к отрицательному зажиму термопары. При таком включе­ нии резистор Ri замкнут накоротко.

При включении переключателя на К ток от положительного зажима сухого элемента идет через пластины 12, 10, 6, 4 и дальше

54

по своему пути к отрицательному зажиму элемента. При этом цепь термопары отключена, а вместо нее включена цепь нормаль­ ного элемента НЭ. Ток в этой цепи от положительного зажима нор­ мального элемента пойдет через пластины 11, 9, 5, 3, через нуле­ вой гальванометр с шунтом Rit через пластины 6 и 4, через рези­ сторы Янэ и Яз на отрицательный зажим нормального элемента. Резистор Яз является предохранительным на случай непра­ вильного включения нормального или сухого элементов.

А в т о м а т и ч е с к и е э л е к т р о н н ы е п о т е н ц и о м е т р ы обладают способностью непрерывного уравновешивания. Нулевой

Рис. 13. Упрощенная принципиальная электрическая схема элек­ тронного потенциометра

гальванометр в этих потенциометрах отсутствует, а роль его выпол­ няет электронный усилитель, подающий усиленное нескомпенсиро­ ванное напряжение на реверсивный двигатель. Последний приво­ дит в движение контакт реохорда, показывающую стрелку и перо, записывающее температуру. При малейшем неравенстве т.-э.д. с. термопары и разности потенциалов на вершинах проста реверсив­ ный двигатель немедленно начинает их уравновешивать.

На рис. 13 приведена упрощенная принципиальная электричес­ кая схема электронного потенциометра. Шунт Яш позволяет подго­ нять приведенное сопротивление реохорда до значения 90 ±0,1 Ом, это делает реохорды взаимозаменяемыми. Электролитический кон­ денсатор Сф высокоемкостный, низковольтный, введен в измери­ тельную цепь в качестве фильтра, не допускающего к усилителю переменные токи, которые могут быть индуктированы в цепи

55

т.-э. д. с. в пропорциональные э. д. с. переменного тока служит про­ межуточный преобразователь, состоящий из вибрационного поля­ ризованного переключателя и входного трансформатора.

Вибрационный переключатель представляет собой электриче­ ский однополюсный поляризованный переключатель на два направ­ ления, работающий синхронно с напряжением сети переменного тока 127 или 220 В.

При включении потенциометра вибрирующая пластина а виб­ рационного переключателя будет намагничиваться под действием магнитного поля обмотки возбуждения б и станет колебаться. Вследствие того, что направление магнитного поля в обмотке воз­ буждения все время будет меняться, а на пластину, кроме этого поля, действует еще магнитное поле постоянного магнита в, ча­ стота колебаний вибрирующей пластины будет строго соответство­ вать частоте переменного тока, питающего обмотку возбуждения (50 Гц). Вибрирующая пластина будет поочередно замыкать кон­ такты г и д , расположенные слева и справа от пластины.

Контакты г и д электрически соединены с концами первичной обмотки входного трансформатора. Средняя точка трансформатора, а также сама вибрирующая пластина присоединены к вершинам измерительного моста. При вибрировании пластины а ток в пер­ вичной обмотке входного трансформатора проходит то в одном на­ правлении (в одной половине обмотки), то в другом (в другой поло­ вине обмотки), вследствие чего во вторичной обмотке трансформато­ ра появляется переменная э. д. с- Очевидно, контакт г будет замы­ каться в течение одного полупериода (допустим, положительного),

аконтакт д — в течение второго полупериода (отрицательного). Допустим, что температура термопары понизилась и ее т.-э. д. с.

уменьшилась. Тогда компенсирующее напряжение будет выше, чем т.-э. д. с., и ток в положительные полупериоды будет течь от сред­ ней точки к началу первичной обмотки и контакту г, а в отрица­ тельные полупериоды — к контакту д.

При повышении температуры термопары и росте ее т.-э. д. с. ток в положительные периоды протекает от контакта г к началу пер­ вичной обмотки, а отсюда к средней точке и далее, а в отрица­ тельные полупериоды — от контакта д через вторую половину пер­ вичной обмотки опять к средней точке обмотки и далее к мосту.

Таким образом, напряжение во вторичной обмотке на входе уси­ лителя в зависимости от направления тока в цепи термопары ока­ зывается либо в фазе с напряжением сети, либо сдвинутым по фазе на 180°. Это явление определяет направление вращения ротора ре­ версивного электродвигателя, необходимое для перемещения пол­ зуна реохорда по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Допустим, что при возрастании температуры термопары э. д. с., индуктированная во вторичной обмотке входного трансформатора, находится в фазе с напряжением сети. При этом потенциал на сет­

56