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

щения реверсивного двигателя РД, который, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, пе­ редвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измери­ тельной схемы. Одновременно двигатель РД перемещает пока­ зывающую стрелку. При равновесии измерительной схемы, когда Е (tt0) = Ubd реверсивный двигатель не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается.

Для установки рабочего тока 1Хпереключатель Я, нормально находящийся в положении Я (измерение), переводится в положе­ ние К. (контроль). При этом одновременно устанавливается кине­ матическая связь реверсивного двигателя с движком реостата R6

и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента (НЭ).

Рис. 35. Принципиальная схема преобразовательного каскада:

/ — якорь; 2 — постоянный маг­ нит; 3 — обмотка возбуждения;

передвигает движок реостата Дб, меняя величину питающего напряжения.

В момент равновесия, когда I х на электронный

усилитель сигнал не подается и реверсивный двигатель остана­

вливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение рабочего тока / 2.

В автоматических потенциометрах применяются усилители переменного тока, которые значительно проще, дешевле и надеж­ нее усилителей постоянного тока.

Для преобразования постоянного напряжения разбаланса измерительной схемы в переменное напряжение частотой 50 Гц служит преобразовательный каскад, схематически изображенный на рис. 35. Преобразовательный каскад состоит из вибрационного (электромагнитного) преобразователя (ВП) и входного трансфор­ матора. Благодаря наличию входного трансформатора преобразо­

вательный каскад не только преобразовывает, но и усиливает сигнал.

Вибрационный преобразователь состоит из якоря /, постоян­ ного магнита 2 и обмотки возбуждения 3 , питаемой переменным током частотой 50 Гц и напряжением 6,3 В от соответствующей

70

обмотки силового трансформатора. Неподвижные контактные пластины 4— 4 присоединяются к концам первичной обмотки I входного трансформатора. Вторичная обмотка I I трансформатора через зажимы 7— 7 присоединяется к входу электронного усили­ теля. Напряжение постоянного тока подается к зажимам 5—5.

Переменное поле обмотки возбуждения вызывает колебания якоря с частотой 50 Гц. Вибрируя, якорь 1 замыкает одну из пластин 4\ напряжение от зажимов 5 подается то на одну, то на другую половину первичной обметки трансформатора (ток в этих половинах течет то в одном, то в другом направлении). Эти токи

*^220В

Рис. 36. Схема электронного нуль-индикатора.

создают во вторичной обмотке I I трансформатора 6 переменную э. д. с., пропорциональную по величине нескомпенсированному напряжению.

Изменение магнитного потока в сердечнике трансформатора имеет несинусоидальную форму. Поэтому и э. д. с., индуктируемая во вторичной обмотке, также имеет несинусоидальную форму. В составе э. д. с. появляются гармоники высших порядков, которые отфильтровываются конденсатором Сг.

Входной трансформатор преобразовательного каскада одно­ временно выполняет функцию согласования низкоомной измери­ тельной схемы с высокоомным входом электронного усилителя.

В зависимости от порога чувствительности и входного сопро­ тивления усилители имеют от двух до четырех унифицированных каскадов усиления напряжения, выполненных на двойных трио­ дах. На рис. 36 показана схема лампового 1 электронного нуль-

1 Имеются полупроводниковые электронные усилители, схемы которых зависят от конкретного назначения прибора.

71

индикатора (потенциометра типа КСП), в котором усилитель напряжения (УН) выполнен на трех каскадах двух ламп 6Н2П (лампы Л1 и Л2). Для усиления напряжения используется цели­

(180 В) трансформатора Тр2 через управляющую обмотку ревер­ сивного двигателя РД. На сетки обоих плеч лампы ЛЗ через усилитель напряжения подается сигнал разбаланса измерительной схемы потенциометра в форме напряжения переменного тока частотой 50 Гц. При равновесии измерительной схемы проводи­ мости плеч лампы ЛЗ одинаковы. При разбалансе измерительной схемы проводимости плеч лампы ЛЗ различны, вследствие чего через обмотку РД протекает пульсирующий ток частотой 50 Гц. Переменная составляющая этого тока создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем второй обмотки РД (сете­ вой), которое ^сдвинуто по фазе относительно первого на 90°. При взаимодействии указанных полей образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой ротор электродвигателя. Ротор, вращаясь в определенную сторону, приводит измеритель­ ную схему потенциометра к равновесию.

Реверсивный электродвигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель конденсаторного типа. Ротор двигателя короткозамкнутый, типа «беличье колесо».

Конструкции автоматических электронных потенциометров непрерывно улучшаются. Разработаны автоматические потен­ циометры с цифровым отсчетом, у которых измеряемая величина У1 азывается непосредственно числом, в результате чего исклю­ чаются субъективные ошибки оператора, повышается точность отсчета. В приборах с цифровым отсчетом результат измерения выражается в форме, более удобной для передачи воздействия на какую-либо управляющую систему.

Уменьшение габаритов, увеличение надежности и долговеч­ ности потенциометров достигается упрощением кинематической схемы потенциометров, заменой электронных ламп в усилителе полупроводниковыми диодами и триодами, помещением реохорда в масляную ванну, применением микропереключателей. Разра­ ботаны безреохордные автоматические потенциометры с раз­ личными способами уравновешивания (с магнитным компенсато­

ром, с компенсацией при помощи конденсатора переменной емко­ сти и др.).

Преобразование т. э. д. с. термопар в унифицированный (пнев­ матический или электрический) выходной сигнал производится с помощью преобразователей, показанных на рис. 76 и 77.

72

Глава IV

Электрические термометры сопротивления

§ 19« Общие сведения. Материалы для изготовления электрических термометров сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое элек­ трическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупровод­ ника представляет некоторую функцию его температуры R = f (t). Вид этой функции зависит от природы материала.

Термометры сопротивления по сравнению с манометрическими термометрами обладают следующими преимуществами: более высо­ кой точностью измерения, возможностью передачи показаний на большие расстояния, возможностью централизации контроля температуры путем присоединения (через переключатель) несколь­ ких термометров к одному измерительному прибору, меньшим запаздыванием показаний. Недостаток термометров сопротивле­ ния — необходимость в постороннем источнике тока.

Для изготовления чувствительных элементов серийных тер­ мометров сопротивления применяются чистые металлы. К метал­ лам предъявляются следующие основные требования:

1. Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с измеряемой средой.

2. Температурный коэффициент электрического сопротивления металла должен быть достаточно большим и неизменным. Этот коэффициент определяется соотношением

п _ ^100 Rq

100R 0 ’

где R 0 и Д 100— сопротивления термометра соответственно при 0

и 100°С.

Для большинства чистых металлов а ^ 4 - 1 0 _3 1 /град.

3. Сопротивление должно изменяться с изменением темпера­ туры по прямой чли плавной кривой без резких отклонений

иявлений гистерезиса.

4.Удельное электрическое сопротивление м талла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемой первоначаль­ ной величины сопротивления термометра.

Указанным требованиям в определенных температурных пре­ делах наиболее полно отвечают платина, медь, никель и железо.

Платина. Удельное электрическое сопротивление платины

73

Из уравнений (59) и (60) видно, что характеристики платиновых термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от

Медь* К достоинствам меди следует отнести дешевизну, лег­ кость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий темпе­ ратурный коэффициент электрического сопротивления а = 4,26 X X 10 ' 3 1/град и линейную зависимость сопротивления от темпе­ ратуры.

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление (р = 0,017 Ом-мм2/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100° G. У меди, применяемой для изготовления термометров,

Однако этим металлам присущи и недостатки: никель и железо трудно получить в чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых термометров сопротивления; зависимости сопротивления железа и особенно никеля от температуры выра­ жаются кривыми, которые не могут быть представлены в виде простых эмпирических формул; никель и особенно железо, легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изго­ товления термометров сопротивления.

На рис. 37 показана зависимость электрического сопротивле­ ния некоторых металлов от температуры.

74

Для изготовления термометров сопротивления (термисторов) применяют также полупроводники (окислы некоторых металлов). Существенным преимуществом полупроводников является их большой температурный коэффициент сопротивления (от 3-10~3 до 4 - 1 0 '2). Благодаря этому из полупроводников можно делать термометры малых размеров с большим начальным сопротивле­ нием, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы

термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротивления для большинства полупроводников от температуры выражается уравнением

Коэффициенты А и В могут быть определены из выражения (61), если подставить в него два значения сопротивлений Я г я R% и соответствующие температуры Т х и Т 2.

Для изготовления термосопротивлений применяют окислы титана, магния, железа, марганца, - кобальта, никеля, меди или кристаллы некоторых металлов (например, германия) с различ­ ными примесями. Форма термисторов самая разнообразная: цилиндры, диски, шайбы, бусинки.

Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ММТ-1; ММТ-4; ММТ-6; КМТ-1 и КМТ-4, у которых в рабочих интервалах температур сопротивле­ ние меняется по экспоненциальному закону.

На рис. 38 приведены кривые для термосопротивлений ММТ-4 и КМТ-4, характеризующие зависимость Rt = / (t). На этом же графике дана для сравнения характеристика медного (ЭМТ) стандартного термометра сопротивления.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полупроводниковых термосопротивлений в промышленность,

7 5

является низкая воспроизводимость их параметров, что исклю­ чает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от —60 до +180° С).

На рис. 39 показано стержневое термосопротивление, пред­ ставляющее собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к koj торым припаяны выводы 3. Цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи термосопротивление защищено металлическим чехлом 5, у которого в верхней части имеется стеклянный изолятор 6. Полупроводниковый элемент 1 бусинкового термосопротивления

(рис. 40) имеет форму шарика диаметром 0,5 мм, защищенного

7 6

§ 20« Технические термометры сопротивления

В СССР серийно выпускаются платиновые термометры сопро­ тивления (ТСП) для температур от —200 до +650° С и медные термометры сопротивления (ТСМ) для температур от —50 до + 180° С. В этих пределах температур существует несколько стан­

К недостаткам рассмотренных платиновых и медных термо­ метров сопротивления относятся их чувствительность к вибрациям

77

и сотрясениям, большая тепловая инерция, которая объясняется значительной теплоемкостью защитной арматуры, негерметичность конструкции, что вызывает загрязнение материалов чувстви­ тельных элементов и увеличивает погрешность измерения, а также способствует проникновению влаги в электрическую изоляцию и снижает прочность последней. Анализ причин отказов обще­ промышленных термометров сопротивления показывает, что са­ мым слабым звеном в них являются чувствительные элементы. Использование в термометрах устаревших конструкционных мате­ риалов (слюды, фарфора и др.) приводит к тому, что при эксплуа­ тации чувствительные элементы подвергаются деформациям, ме­ ханическим натяжениям и повреждениям.

2

Рис. 42. Чувствительный элемент медного термо­ метра сопротивления:

/ — безындукционная намотка из медной проволоки; 2 — фторопластовая пленка; 3 — выводы

В нашей стране созданы унифицированные универсальные чувствительные элементы для платиновых и медных термометров сопротивления, свободных от указанных недостатков.

Конструктивно чувствительный элемент для всех платиновых термометров сопротивления представляет собой платиновую спи­ раль, расположенную в капиллярах керамических трубок, запол­ ненных дополнительно керамическим порошком, который служит изолятором и создает эффект подпружинивания спиралей. Плати­ новая спираль закреплена только в двух точках и подвергается незначительным механическим натяжениям.

Чувствительный элемент всех медных термометров сопротивле­ ния представляет собой бескаркасную безындукционную намотку из медной проволоки диаметром 0,08 мм (рис. 42), покрытую фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. С целью обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую гильзу, засыпается керамическим порошком и герметизируется.

Унифицированные платиновые термометры сопротивления со­ ответствуют градуировкам 21 и 22; медные термометры сопроти­ вления — градуировкам 23 и 24. Пределы измерения платиновых термометров сопротивления от —260 до +750° С; медных — от —50 до +200° С. Для измерения низких температур (до —260° С) созданы также платиновые термометры сопротивления, у которых защитная гильза заполняется гелием.

7 8

§ 21« Измерительные приборы электрических термометров сопротивления

В качестве измерительных приборов электрических термо­ метров сопротивления применяются уравновешенные мосты и логометры (омметры). Для полупроводниковых термосопротивле­ ний измерительными приборами обычно служат неуравновешен­ ные мосты.

Уравновешенные мосты делятся на лабораторные (неавтомати­ ческие) и производственные (автоматические). Автоматические

Падения напряжения на плечах моста Ьс и cd также равны, т. е.

Разделив равенство (62) на равенство (63), получим

При / 0 = 0, I г = 12 и I 3 = It уравнение (64) примет вид

Ri (Rt + 2Rnp) = R SR S.

Сопротивление термометра будет равно

Если считать, что температура окружающей среды не изме­ няется, то 2Rnp будет постоянным. Тогда уравнение (65) примет вид

79