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

При изменении сопротивления R t мост можно уравновесить изменением величины сопротивления реохорда R2.

В тех случаях, когда колебания температуры среды, окружа­ ющей соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения термометра (рис. 44). При таком присоединении сопротивление одного провода Rnp приба­

током. В автоматических мостах переменного тока решающее значение имеют активные сопротивления, поэтому выведенные выше соотношения для мостов постоянного тока сохраняются и для автоматических мостов переменного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питается от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника питания (сухого элемента) и отпадает необходимость в применении вибрационного преобразователя.

Существует много различных модификаций автоматических уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная схема электронного автоматического уравновешенного моста на переменном токе (рис. 45). Постоянные сопротивления Rl, R2, R3 и R4 измерительной схемы выполнены из манганина, а рео­ хорд Rp — из манганина или специального сплава. Измеритель­ ная схема питается переменным током напряжением 6,3 В.

Напряжение разбаланса на вершинах моста а и b подается на вход электронного усилителя, В нем оно усиливается до вели-

80

чины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя РД. Этот двигатель, вращаясь в ту или другую сторону (в зависимости от знака разбаланса), через систему пере­ дач перемещает движок реохорда, уравновешивая измерительную схему моста, а также перемещает показывающую стрелку. Если мост находится в равновесии, то реверсивный двигатель не вра- > щается, так как напряжение на вход электронного усилителя не подается.

Аналогичную измерительную схему имеет и уравновешенный мост на постоянном токе. В нем электронный усилитель имеет

вибрационный преобразователь, и поэтому узел усиления у него такой же, как у потенциометра.

Вывод расчетных уравнений мостовой схемы основывается на общем условии равновесия.

Преобразование величины сопротивления термометра в уни­ фицированный электрический выходной сигнал постоянного гока осуществляется преобразователями (см. рис. 77).

Серийно изготовляемые электронные автоматические уравно­ вешенные мосты могут быть использованы для измерения темпе­ ратуры с полупроводниковыми термосопротивлениями. В связи с большой разницей в характеристиках металлических термоме­ тров сопротивления и полупроводниковых термосопротивлений измерительную схему моста следует рассчитать.

Неуравновешенные мосты. Возможность непосредственного отсчета температуры — преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мостом. На рис. 46 показана принципиальная схема неуравновешенного моста, в которой R1, R2 и R3 — постоянные сопротивления плеч моста; R — реостат; RK— контрольное сопротивление; Rt — сопротивление термо­ метра; / м — сила тока, протекающего по рамке милливольтметра.

Для определения сил токов в плечах моста воспользуемся методом контурных токов. Принимая э. д. с. источника питания постоянной, рассмотрим три контура с силой тока / а, 1Ь, 1С-

Для них можно написать следующие уравнения:

Аналогично определяется сила тока в плечах моста:

Из уравнения (69) видно, что сила тока зависит от Е или раз­ ности потенциалов Uab на вершинах моста. Следовательно, необ­ ходимым условием правильного измерения является поддержание разности потенциалов постоянной, что осуществляется введением регулировочного реостата R в цепь источника тока.

Для контроля разности потенциалов в схему моста параллельно термометру включается манганиновое контрольное сопротивле-

82

ние RK, равное сопротивлению термометра при определенной температуре, отмеченной красной чертой на шкале милливольт­ метра.

Для контроля разности потенциалов и аЬ переключатель ста­ вят в положение 2 и с помощью реостата R устанавливают стрелку милливольтметра точно на красной черте. После этого переклю­ чатель ставят в положение 1 и по шкале снимают отсчет, соответ­ ствующий температуре термометра. Неуравновешенные мосты питаются от батареи или от сети (через трансформатор и выпря­ митель).

Показания неуравновешенных мостов зависят от напряжения Uab, поэтому они не используются для промышленных изме­ рений. Эти мосты применяются иногда в ла­ бораторной практике, а также используются в измерительных схемах других приборов (логометров, газоанализаторов и т. п.).

Логометры* Логометры — это магнито­ электрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жесткоскрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом (в предельном случае в одной плоскости).

Угол поворота такой подвижной системы есть функция отно­ шения токов в обеих рамках:

где /j и / 2 — токи, протекающие по рамкам.

В определенных пределах колебания напряжения источника питания не влияют на показания прибора.

Таким образом, логометры совмещают достоинства уравнове­ шенных мостов (независимость от колебаний напряжения источ­ ника питания) и неуравновешенных (непосредственное измере­ ние).

На рис. 47 показана схема логометра. Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с цилиндрическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконеч­ никами расположен цилиндрический сердечник из мягкой стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерен. Поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее — у края), являясь функ­ цией угла поворота от среднего положения.

1

К рамкам подводится ток от общего источника питания (сухой батареи). В рамку R1 ток поступает через постоянное сопротивле­ ние R, в рамку R2 — через сопротивление термометра R t. Напра­ вление токов и / 2 таково, что вращающие моменты рамок ока­ зываются направленными навстречу один другому.

Вращающиеся моменты рамок соответственно равны

А 4 1 = C - J 5 J I , М 2 = с2В 2/ 2,

где сх и с2 — постоянные, зависящие от геометрических разме­ ров и числа витков рамок;

и В2— магнитные индукции в зоне расположения рамок. Если сопротивление рамок одинаково и R = Rt, то 1г = / 2, т. е. вращающие моменты рамок равны. При этом подвижная

система находится в среднем положении.

При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения), через одну из рамок потечет ток большей вели­ чины, равенство моментов нарушится и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего момента. При вра­ щении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей величины, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. Наобо­ рот, другая рамка входит в зазор с большой магнитной индукцией и ее момент увеличивается.

Вращение рамок продолжается до тех пор, пока их вращаю­ щие моменты станут снова равными. В момент равновесия

CiB г11 — с2В 212

или

В этом выражении величины R' R t и # 2 постоянные, поэтому угол поворота подвижной системы зависит только от величины сопротивления термометра:

Ф = f (Rt)-

84

Показания прибора не зависят от колебания напряжения источника питания только в определенных границах. Так, при колебаниях напряжения питания ±20% возникает угловая по­ грешность Лер 0,5-И %. Объясняется это следующим: при очень малом напряжении источника питания возрастают влияние упру­ гости проводников, подводящих ток к рамкам, и силы трения в опорах; при слишком большом напряжении нагреваются об­ мотки термометра и рамок прибора, что изменяет соотношение токов в параллельных цепях логометра.

К рамкам ток подводится тремя тонкими спиральными волос­ ками, служащими одновременно для возвращения стрелки при­

соединена через последовательно

включенные медное сопротивление R5 и манганиновое R4 с вер­ шиной моста, к которой подведен один провод источника питания; второй провод источника питания подключен к противоположной вершине. Сопротивление R4 служит для изменения угла отклоне­ ния подвижной системы, a R5 — для температурной компенсации.

Для обеспечения наибольшей чувствительности л остовая схема прибора симметрична, т. е. R2 = R3. Сопротивление R1 выбрано так, чтобы мост находился в равновесии при величине сопротивле­ ния термометра Rt, соответствующей значению температуры в середине шкалы прибора. При этом вследствие равенства потен­ циалов на вершинах моста а и b падение напряжения на сопроти­ влениях R2 и R3, а значит, и токи / х и / 2 в рамках R'p и R'p равны между собой и обе рамки располагаются в магнитном поле сим­ метрично относительно оси полюсных наконечников.

В случае увеличения сопротивления термометра (повышения температуры) ток h в рамке R'p уменьшится, а ток 1\ в рамке Rp соответственно увеличится.

При уменьшении сопротивления термометра (понижении тем­ пературы) произойдет обратное явление, т. е. ток в рамке R"p увеличится, а в рамке Rp уменьшится (Rp — R"p).

8 5

Возникающая в обоих случаях разность вращающихся момен­ тов поворачивает подвижную систему вправо или влево до насту­ пления нового равновесия. Из головки термометра выходят три провода: два из них через две уравнительные (манганиновые) катушки 7?вн и R"BH вводятся в логометр, а третий подсоединен к источнику питания. Один соединительный провод входит в плечо, которое состоит из Rt и R6, а другой провод— в плечо R1. Тре­ тий провод, входящий в диагональ питания моста, не имеет урав­ нительной катушки, так как сопротивление провода не сказы­ вается на работе логометра.

Так как плечи R l + R вн и R t + R'BH + R6 смежные, то изме­ нение сопротивления соединительных проводов из-за колебания температуры окружающей среды почти не влияет на результаты измерений. Подгонка внешнего сопротивления до расчетного значения производится раздельно для каждого провода. Величина расчетного внешнего сопротивления у логометра устанавли­ вается 2,5 и 7,5 Ом.

При проверке правильности подгонки сопротивления соеди­ нительных проводов последние закорачиваются на зажимах го­ ловки термометра и вместо R t включается R 3, для чего провод, подводящий ток к зажиму 4, подключается к зажиму 2. В этом случае при включении питания стрелка логометра должна уста­ навливаться на красную контрольную черту, нанесенную в сере­ дине шкалы логометра. При отклонении стрелки от красной черты на величину, большую ±1,5% диапазона шкалы, необхо­ димо проверить сопротивление соединительных линий, а затем сам логометр.

Устройство логометра аналогично устройству милливольт­ метра. Измерительная схема питается постоянным током от источ­ ника сетевого питания или сухой батареи.

Одинаковое изменение сопротивления рамок логометра от изменения температуры окружающей среды не будет изменять показания прибора только при равновесии мостовой схемы. Температурная погрешность прибора компенсируется соответ­ ствующим выбором сопротивления R5.

При температуре t, отличной от температуры градуировки t0, сопротивление

Re = Rl [1 - f a (t~ *„)],

о

где R5— величина медного сопротивления при температуре гра­ дуировки;

а — температурный коэффициент сопротивления меди. Сопротивление R5 определяется по формуле

86

При известных значениях Rp, R, R4, R1 и Rt можно опреде­ лить сопротивление R°5, а следовательно и R5 для диапазона температур t— 10.

В формулу (71) входит переменное сопротивление Rt, поэтому полную компенсацию температурной погрешности можно полу­ чить только для двух определенных значений Rt.

Глава V

Общие условия измерения температур контактными термопреобразователями

§22* Измерение температуры твердых тел

иповерхностей

Если объем тела достаточно велик и возможно погружение термопреобразователя (термопары, термометра сопротивления и и т. п.) на достаточную глубину, то в этом случае вполне обеспе­ чивается тепловое равновесие между измеряемым телом и термо­ преобразователем. Большие трудности возникают при измерении температуры твердых тел с небольшим объемом, особенно если в них имеются значительные температурные перепады. Приме­ няемые в этом случае термопреобразователи должны иметь малые размеры, чтобы обеспечить измерение температуры в данном месте. Одновременно между термопреобразователем и измеряемым твердым телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт.

Наиболее пригодна в этом случае термопара, теплочувстви­ тельная часть которой может быть выполнена очень маленькой. При измерении средней температуры тела могут быть применены и другие виды термопреобразователей. Для уменьшения теплоот­ вода через арматуру термопреобразователя или через термоэлек­ троды термопары тепловоспринимающую часть следует распола­ гать так, чтобы она находилась в изотермической плоскости. Радиальная установка термопары искажает температурное поле в месте измерения, и показания будут преуменьшены.

Наиболее сложно измерение температуры движущихся по­ верхностей (вальцов, каландров и т. п.). В этом случае при изме­ рениях контактным способом возникает ряд дополнительных по­ грешностей, связанных с трением термоприемника о поверхность, температура которой измеряется. Погрешности эти зависят от правильности контакта термоприемника, чистоты контролируемой поверхности и других факторов. Кроме того, термопара при этом быстро изнашивается.

Для контроля температуры поверхностей вращающихся валко­ вых машин применяются как переносные, так и стационарные

87

термопары различных конструкций.Для кратковременных и пе­ риодических измерений температуры применяются так назы­ ваемые лучковые термопары. Существует много конструктивных форм поверхностных лучковых термопар, но принцип их работы одинаков (рис. 49). Два ленточных термоэлектрода из разнород­ ных материалов, сваренные встык, прижимаются к контролируе-

Рис. 49. Лучковая поверхностная термопара

мой поверхности. Свободные концы термоэлектродов прикреплены к лучку, который натягивает ленту. К концам ленты прикреплены соединительные провода, идущие к милливольтметру, шкала которого градуирована в °С. Упругость ленты и лучка должна обеспечивать достаточно плотный контакт между термопарой

иповерхностью, температура которой измеряется. Термоэлек­ троды в виде лент изготовляют из меди, железа, хромеля, копеля

иконстантана.

Внекоторых типах стационарных поверхностных термопар трущаяся часть термопары представляет собой промежуточное

тело, к которому прижимаются термоэлектроды термопары. У таких термопар погрешности от трения несколько уменьшаются (рис. 50). Промежуточным телом служит медная пластина (сухарь).

88

Термоэлектроды термопары в виде лент помещены между двумя слюдяными прокладками и прижаты скобой к сухарю, который вместе со скобой окружен с трех сторон железным кожухом, заполненным асбестом.

У поверхностной вращающейся термопары, схема которой пока­ зана на рис. 51, дополнительные погрешности из-за трения не­ сколько меньше. Диски А (копель) и В (сталь) катятся по поверх­ ности, температуру которой надо контролировать. В местах контактирования термоэлектродных дисков с металлической по­ верхностью С возникает т. э. д. с,, суммарное значение которой (при равенстве температур t в точках касания дисков Л и В с по­ верхностью С и температур t0 в местах присоединения проводов) выразится уравнением

Еав (« о) = ел в (0 — еАВ (4)-

§ 23.- Измерение температур газовых потоков

Измерение температуры почти всегда сопровождается тепло­ обменом между термопреобразователем и окружающими его телами.

Рассмотрим случай, когда чувстви­ тельный элемент термопреобразователя находится в защитной трубке (рис. 52). Пусть температура газа не равна темпе­ ратуре стенки трубы (например, 4 >> tc), а температура защитной трубки в нижней части t )> 4; тогда количество тепла, полученное поверхностью защитной труб­ ки от газа в результате конвективного теплообмена в единицу времени,

ной трубки. Практически температура термопреобразователя находится между температурами измеряемой среды и стенки тру­ бы, т. е. 4 > t > 4-

Количество тепла, отдаваемое в единицу времени поверхностью защитной трубки путем лучистого теплообмена с внутренней поверхностью стенки трубы, может быть выражено уравнением

8 9