книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

статирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, т. е. от зоны с меняющейся темпе­ ратурой. Соединительные провода должны быть термоэлектри­ чески подобны термоэлектродам термопары; их целесообразно называть термоэлектродными проводами.

Как правило, термоэлектродные провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выпол­ няются из одних и тех же материалов (удлинение термопары). Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для ко­ торой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве

Как видно из рис. 27, холодные спаи удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечи­ вает термостатирование холодных спаев. От термоэлектродных проводов до измерительного прибора можно применять медные провода. Иногда на всем протяжении от термопары до измеритель­ ного прибора применяют термоэлектродные провода, что облегчает введение поправки на температуру холодных спаев. Однако при этом надо учитывать, что термоэлектродные провода обладают относительно большим сопротивлением.

Основные технические данные термоэлектродных проводов приводятся в специальной справочной литературе.

В лабораторных условиях температуру холодных спаев обычно поддерживают равной 0° С. В этом случае места спаев погружают в пробирки с маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, напол­ ненный тающим льдом. Холодные спаи могут находиться и при комнатной температуре, но тогда они должны быть погружены

всосуд с маслом, температура которого контролируется.

Впроизводственных условиях для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяются мостовые электрические схемы (рис. 28).

Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого R l, R2 и R3 выполнены из манганина, а четвертое R4 — медное. Схема питается от стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление Rd служит для

60

подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения. При постоянном напряжении источника питания изменением сопротивления Rd мсжно настраивать мост для работы с термопа­ рами различных градуировок. От термопары до компенсационного моста прокладываются термоэлек­

§ 18. Приборы для измерения электродвижущих сил

Для измерения т. э. д. с. в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры— магнитоэлектрические приборы; работа их основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянной: магнита.

Магнитная система милливольтметра (рис. 29) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндри­ ческого сердечника. В кольцевом воздушном зазоре между полюс­ ными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного (реже алюминиевоп) изолированногс провода. Чаще всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создается спиральными пружинками, которые одновременно слу­ жат и для подвода тока к рамке.

В более точных, а также в регистрирующих приборах рамка подвешивается на тонких металлических лентах (рис. 30), которые создают противодействующий момент и одновременно служат для подвода тока. С помощью грузиков подвижная система уравнове­

61

шивается так, чтобы центр ее тяжести находился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку.

Рис. 29. Магнитная и подвижная системы милливольтметра:

ральных пружин и подвесных лент пропорциональна модулю упругости материала и углу поворота подвижной системы <р.

ленточного подвеса).

62

Изменения В и Е при изменении температуры окружающей среды не влияют на показания милливольтметра, так как обе величины изменяются почти одинаково.

Тогда зависимость угла поворота рам­ ки от величины тока может быть выра­ жена приближенной формулой

ющие милливольтметры с различными пределами измерений.

метра при неизменной величине т. э. д. с. зависит от электри-

63

ческого сопротивления цепи, которое изменяется в зависимости от длины соединительных проводов и температуры окружающей среды. Поэтому при эксплуатации термоэлектрического термометра возможны погрешности из-за изменения сопротивлений внешней цепи и рамки милливольтметра.

Рассмотрим схему термоэлектрического термометра (рис. 31). Из уравнения (54)

Е (tt0) = IR M+ IRBH,

где IRM= U'ab — падение напряжения в цепи милливольтметра, которое будет измерено и показано прибс ром.

термометра

Следовательно,

Uab = IRM= E(tt0) - I R BH,

или

Из формулы (56) следует, что Uab всегда меньше, чем т. э. д. с., развиваемая термопарой. Из этой же формулы следует, что чем меньше RBH по сравнению с RM, тем ближе Uab и Е (ttQ), и что колебания RBV тем меньше будут влиять на результаты измерения, чем больше RM. Поэтому сопротивление RM делают всегда доста­ точно большим, включая добавочную манганиновую катушку последовательно с рамкой милливольтметра. Практически в мил­ ливольтметрах сопротивление RM колеблется от 100 до 500 Ом.

Для получения правильных показаний действительное значе­ ние £)вн должно соответствовать расчетному. В приборах отече­ ственного производства расчетная величина Rm равна одному из следующих значений: 0,6; 1,6; 5; 15; 25 Ом. Под это расчетное сопротивление, указанное на шкале милливольметра, подгоняется при монтаже фактическое сопротивление термопары и соедини­ тельных проводов; это достигается включением последовательно

стермопарой добавочной (уравнительной) манганиновой катушки.

Вслучае подключения к одному милливольтметру (через переключатель) нескольких термопар одинаковой градуировки, каждая цепь термопары должна быть подогнана под расчетное значение RBH. При значительной длине соединительных проводов колебания внешней температуры могут вызывать ощутимые

64

изменения сопротивления внешней цепи, что создает дополни­ тельную погрешность при измерении. Изменение сопротивления термопар из инертных металлов влияет также на точность изме­ рений.

Чтобы исключить погрешности, связанные с изменением сопротивления соединительных проводов и термопары при экс­ плуатации, температура соединительных линий должна быть близкой к 20° С, а глубина погружения термопары должна соот­ ветствовать градуировочной. Если шкала милливольтметра выра­ жена только в милливольтах, то к нему можно подключить термо­ пару любой градуировки. Из формулы (56)

E ( t t 0) = Uab

V

Отсчитывая по шкале милливольтметра величину Uab и зная величины Ru и RBH, можно подсчитать значение Е (tt0), по кото­ рому согласно градуировочным таблицам определяют температуру.

В эксплуатационных условиях температура окружающей среды часто отклоняется от градуировочной +20° С (в большинстве случаев в сторону увеличения) и вызывает изменение сопротивле­ ния рамки милливольтметра, изготовленной из медной или алю­ миниевой проволоки. У этих металлов температурный коэффи­ циент электрического сопротивления почти одинаков и равен примерно 0,4% на 1°С. Следовательно, при отклонении темпера­ туры окружающей среды от +20° С, например на ± 10°, показания прибора изменялись бы на ±4% значения измеряемой величины. Эта ошибка слишком велика и ее необходимо уменьшать.

При наличии дополнительного манганинового сопротивления, включенного последовательно с рамкой милливольтметра, сум­ марный температурный ксэффициент прибора

и добавочного манганинового сопротивления (при градуировке).

В технических милливольтметрах отношение сопротивления рамки к общему сопротивлению милливольтметра обычно не более 1 : 3. При увеличении общего сопротивления милливольт­ метра его температурный коэффициент снижается. При этом снижается и погрешность от колебания температуры окружающей среды.

Потенциометр.- Принцип потенциометрического метода изме­ рения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т. э. д. с. известной разностью потенциалов, образованной вспомо­ гательным источником тока.

Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 32. Ток от вспомогательного источника £ (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включено сопротивле­ ние RAB, называемое реохордом. Реохорд представляет собой калиброванную проволоку длиной L см.

Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой Д пропорциональна сопротивлению RAB (в точке Д нахо­ дится скользящий контакт — движок реохорда).

Последовательно с термопарой включен чувствительный мил­ ливольтметр НП с нулем посредине шкалы (нуль-прибор, нульиндикатор). Термопара подключена таким

Еобразом, что ее ток на участке сопротив­ ления Rajx идет в том же направлении, что и от вспомогательного источника.

Если величина тока от источника Е равна / 1, а от термопары / 2, то на участке сопротивления Рлд ток

термопары равен нулю ( /2 = 0). При этом стрелка НП будет

поэтому

(58)

Следовательно, т. э. д. с. термопары Е (tt0) определяется вели­ чиной падения напряжения на участке сопротивления Даде

66

т. е. она не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивле­

ния цепи RBH.

Сопротивление RAB может быть снабжено шкалой, отградуи­ рованной в единицах напряжения (милливольтах) или в градусах. В последнем случае для каждого типа термопары необходима

своя шкала.

Измерение т. э. д. с. компенсационным методом зависит от

постоянства тока в цепи реохорда.

Нужная величина тока / устанавливается и контролируется также компенсационным методом. Схема такого потенциометра

ства разности потенциалов между конечными точками реохорда, развивает вполне определенную постоянную во времени э. д. с.

Обычно применяется ртутно-кадмиевый гальванический эле­ мент Вестона, развивающий при температуре 20° э. д. с. 1,01830 В и сохраняющий это значение при малых и кратковременных нагрузках в течение длительного"времени. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство раз­ ности потенциалов на концах реохорда. Для этой цели переклю­ чатель П переводят на контакт R, включая НП в цепь НЭ и одно­

временно разрывая цепь термопары.

Нормальный элемент присоединяется к концам сопротивления Днэ и притом так, что его э. д. с. оказывается направленной навстречу э. д. с. исючника тока Е. Регулируя ток в компенса­ ционной цепи реостатом R b, добиваются такого положения, при

нулю и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. В этом случае ток в компенсационной цепи

I — Енэ

1 Днэ '

Для измерения т. э. д. с. термопары переключатель П пере­ водят на контакт И, подключая тем самым термопару последо­ вательно с НП к измерительному сопротивлению в точке b и скользящему контакту Д. Т. э. д. с. термопары тогда будет дей­ ствовать в сторону, противоположную э. д. с. источника тока Е.

Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точками b и Д измеритель­ ного сопротивления равна т э. д. с. термопары; при этом ток к цепи термопары равен нулю (стрелка НП устанавливается на нуль шкалы); тогда

термопары сводится к определению длины участка измерительного сопротивления Ньд. Измерение т. э. д. с. компенсационным мето­ дом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных про­ водов, ПН), а следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода изме­ рения.

Автоматические электронные потенциометры.; Если в рас­ смотренных выше потенциометрах небалаксный ток измерительной цепи потенциометра вызывает отклонение стрелки нулевого прибора, то в автоматических потенциометрах нулевой прибор отсутствует. Он заменен электронным нуль-индикатором.

Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры, могут быть использованы и для автоматического регулирования температуры. В этом случае они снабжаются дополнительным регулирующим устройством.

Кроме того, на базе автоматических потенциометров созданы вторичные приборы, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используются для измерения других неэлек­ трических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.).

Автоматические потенциометры работают в комплекте с одной из стандартных термопар или с радиационным пирометром. Шкалы их практически равномерны.

Различные модификации автоматических потенциометров, отли­ чающиеся один от другого наличием или отсутствием определен­ ных узлов, работают одинаково.

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на темпера-

68

сти поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопро­

Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьше­ ние т. э. д. с. термопары на величину Е (toto)- При этом падение напряжения на сопротивлении RK одновременно возрастает; тогда получаем равенство

баланса преобразуется в переменное, которое затем усиливается по напряжению и мощности дс значения, достаточного для вра-*

* В некоторых автоматических потенциометрах НЭ отсутствует, а в диаго­ наль моста включен источник стабилизированного напряжения, обеспечивающий постоянство рабочего тока в измерительной схеме (потенциометры типа КСП).

6 9