книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Таблица 13

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных га­ зов и т. д.) электроды, изолированные фарфоровыми бусами, поме­ щаются в защитную арматуру, конструктивно похожую на арматуру термометров сопротивления (рис. 237, б). Кроме стандартных термо­ пар, применяются другие термопары, отличающиеся по своим харак­ теристикам от стандартных.

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда целесообразно термопару удлинить с помощью особых проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материа­ лов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных темпе­ ратур свободных концов (обычно от 0 до 100° С). Иначе говоря, эти особые удлинительные провода должны иметь в указанном интервале

Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 15—20 с. Термопары в обыч­ ной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный несколь­ ким минутам.

Индукционные преобразователи. Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции,

340

согласно которому о. д. с. е, индуктированная в катушке из w витков, равна:

аф

(ІФ

где -^- — скорость изменения магнитного потока, сцепленного с ка­

тушкой.

Индукционные преобразователи применяются для измерения ско­ рости линейных и угловых перемещений.

Выходной сигнал индукционных преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований сигнал становится пропорциональным соответственно перемещению или ускорению.

Поэтому индукционные преобразователи ис­ пользуются также для измерения линейных

иугловых перемещений и ускорений. Наибольшее применение индукционные

буждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использо­

вании генератора постоянного тока о скорости судят по э. д. с. ге­ нератора, а в случае применения генератора переменного тока ско­ рость можно определить по величине э. д. с. или ее частоте.

При использовании зависимости частоты э. д. с. генератора от скорости получается большая точность измерения, чем при исполь­ зовании зависимости величины э. д. с. от скорости, так как в послед­ нем случае влияет непостоянство магнитного потока генератора.

На рис. 254 показано устройство индукционного преобразователя для измерения скорости линейного перемещения, а также амплитуды перемещения и ускорения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку 1, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает э. д. с , пропорциональная скорости перемещения.

Погрешности индукционных преобразователей определяются глав­ ным образом изменением магнитного поля с течением времени и при изменении температуры, а также температурными изменениями со­ противления обмотки.

341

Основные достоинства индукционных преобразователей заклю­

образователи основаны на использовании прямого пьезоэлектриче­ ского эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристаллов кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси (9z, механической оси Oy и электрической оси Ох кристалла (рис. 255, а и б).

Рис. 255. Кристалл кварца (а) и пластинка, вырезанная из кристал­ ла кварца (б)

При воздействии на пластину усилия F (х) вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа показан на рис. 256. Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металличе­ скими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 служит для равномерного распределения давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала.

При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преоб­

342

где Чх — заряд, возникающий на пластинке кварца; 6'п — емкость преобразователя; С0 — емкость проводов и входной цепи при­ бора, измеряющего разность потенциалов; к — пьезоэлектрический модуль кварца; s — поверхность мембраны, подверженная дав­ лению.

По разности потенциалов U судят о величине давления Р.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом приме­ няется кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными ка­ чествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характери­ стики от температуры в широких пределах. Используется также титанат бария (ВаТі03 ) в виде керамики. Титанат бария имеет значи­

«стекает» по сопротивлению изоляции и входному сопротивлению из­ мерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность по­ тенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление (101 2 —101 6 Ом), что практически обеспечивается применением электронных электрометрических уси­ лителей.

Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используются для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных уси­ лий, давлений, параметров вибраций и т. д.).

Гальванические преобразователи (преобразователи pH-метров). Реакция растворов (кислая, нейтральная, щелочная) зависит от кон­ центрации водородных ионов. Концентрацию водородных лонов в растворе можно определить по разности потенциалов, которая возникает на различных электродах, опущенных в исследуемый раствор.

Рассмотрим зависимость свойства раствора от концентрации водородных ионов.

Самая чистая вода имеет слабую, но вполне определенную электро­ проводность, что объясняется ионизацией воды, которая происходит по схеме

H 2 O î t H + + OH-.

343

При равновесии процесса диссоциации (образования ионов) и процесса воссоединения из ионов молекул воды произведение кон­ центрации положительных [ГІ+] и отрицательных [ОН- ] ионов в воде

Так как из одной молекулы воды получается один полояштельный

станет меньше, чем в нейтральном растворе, за счет воссоединения части образовавшихся ионов [Н+ ] с ионами [ОН~] именно в таком ко­ личестве, чтобы выполнялось условие

[Н-Ч-[ОН-] = 10-".

При растворении в воде щелочей концентрация [ОН"] становится больше, а концентрация [Н+ ] соответственно уменьшается.

Таким образом, концентрацией водородных ионов можно харак­ теризовать любые растворы: кислые, нейтральные и щелочные.

Концентрацию водородных ионов удобно численно характеризо­ вать отрицательным логарифмом концентрации — водородным пока­

Для измерения концентрации водородных ионов, т. е. для опре­ деления pH, широко применяется метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала.

Если какой-либо металл погрузить в раствор, содержащий его

где Е0 — потенциал электрода при концентрации его ионов в рас­ творе, равной единице; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов металла; F — число Фарадея;

С— концентрация в растворе ионов металла электрода. Аналогично ведет себя и водород.

Для получения электродного потенциала между водородом и ра­

створом, содержащим ионы [Н+ ], необходимо иметь так называемый водородный электрод. Водородный электрод можно создать, вос­ пользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно в качестве водородного элек-

344

трода служит покрытый платиновой чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород. Потен­ циал такого электрода зависит от концентрации водородных ионов в растворе.

Практически измерить абсолютную величину пограничного по­ тенциала нельзя, этот потенциал можно измерить относительно дру­ гого потенциала. Поэтому гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов, электрически соединенных друг с дру­ гом: рабочего (индикаторного) полуэлемента, представляющего собой исследуемый раствор с электродом, и сравнительного (нормального, образцового) полуэлемента с неизменным пограничным потенциалом, состоящего из электрода и раствора с постоянной концентрацией.

В качестве сравнительного полуэлемента может быть использован водородный электрод с нормальной постоянной концентрацией водо­ родных ионов. При промышлен­ ных измерениях применяется более удобный сравнительный каломельный электрод.

На рис. 257 показано устрой­ ство преобразователя для изме­ рения концентрации водород­ ных ионов. Образцовым полу­ элементом служит каломельный полуэлемент. Он представляет собой стеклянный сосуд 4, на дно которого помещено неболь­

шое количество ртути, а-поверх нее — паста из каломели (Hg2 ül2 ). Сверху пасты налит раствор хлористого калия (KCl). Потенциал воз­ никает на границе каломель — ртуть. Для контакта со ртутью в дно сосуда вставлен платиновый электрод 5.

Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации ртути в каломели, а концентрация ионов ртути, в свою очередь, зави­ сит от концентрации ионов хлора в растворе хлористого калия. В исследуемый раствор погружен водородный электрод 1. Оба полу­ элемента соединены электролитическим ключом, представляющим собой трубку 2, обычно заполненную насыщенным раствором KCl и закрытую полупроницаемыми пробками 3. Э. д. с. такого преобра­ зователя является функцией pH.

В приборах промышленного типа вместо рабочих водородных электродов используются более удобные сурьмяные или хингидронные электроды. Широко применяются также стеклянные элек­ троды. •*

Для измерения э. д. с. гальванических преобразователей в ос­ новном используются приборы с компенсационными схемами. Для стеклянных электродов измерительная схема должна иметь высокое' входное сопротивление,так как внутреннее сопротивление стеклянных электродов достигает 100—200 МОм.

При измерении pH с помощью гальванических преобразователей необходимо вносить поправки на влияние температуры.

345

Большое распространение pH-метры получили для контроля тех­ нологических процессов в нефтяной, текстильной, химической, коже­ венной, пищевой промышленности, а также в сельском хозяйстве.

Мапштоупругие индукционные преобразователи. Магнптоупругие индук­ ционные преобразователи основаны на использовании известного в теории ферро­ магнетизма обратного аффекта Видемана.

Если ферромагнитпыіі цилиндр (рис. 258, а) поместить в продольное пере­

346

ствует. При работе же в неравновесном режиме погрешность будет значительно меньше, чем в случае двухпроводной схемы.

Рис. 259. Схемы включения преобразователя термометра сопро­ тивления: а — двухпроводная мостовая; б — трехпроводная мо­ стовая; в — мостовая неравновесная с логометром

Сопротивление г0 служит для подгонки нулевой точки шкалы (для уравнове­ шивания моста при начальной, измеряемой температуре). Сопротивление і\, (уравнительное) дополняет сопротивление проводов до значения, принятого при градуировке (5 или 15 Ом). Д л я подгонки сопротивления г у в схоме предусмотрено сопротивление г к (контрольное), которое равно значению сопротивления пре­ образователя, соответствующего определенной отметке на шкало прибора. Включив гк вместо г т в плечо моста, уменьшают сопротивление г у до тех пор, пока стрелка логометра не станет на указаннуао выше отметку шкалы. После этого со­ противление г и закорачивают.

Если сопротивление гх выбрано равным сопротивлению плеча моста с пре­

где Агт — положительное ИЛИ отрицательное изменение сопротивления преобра­

347

Как видно из этого уравнения, при изменении температуры, а следовательно,

иД/'т токи в рамках логометров изменяются одновременно п приращения токов имеют разные знаки. При Агт = О

'Р2

нее градуируются в градусах для определенной градуировки термонары и опре­ деленного значения внешнего сопротивления.

С целью подгонки внешнего сопротивления до значения, при котором про­ изводилась градуировка (0,6; 5; 15; 25 Ом), милливольтметры снабжаются под­ гоночными уравнительными сопротивлениями.

В этих термометрах возможна погрешность от изменения сопротивления термопары и проводов. Сопротивление термопары изменяется с изменением глу­ бины погружения, т. е. с изменением соотношения нагретой и холодной частей термопары. Кроме того, изменение глубины погружения термопары вызывает также изменение погрешности, обусловленной наличием тепловых потерь пре­ образователя. Поэтому глубина погружения термопары выбирается в соответ­ ствии с паспортными данными термопары и не должна произвольно изменяться.

Сопротивление проводов изменяется при колебаниях температуры воздуха. Д л я уменьшения влияния изменения сопротивления термопары и проводов целе­ сообразно применять милливольтметры с малым потреблением (с большим внут­ ренним сопротивлением).

Изменение температурных условий влияет на милливольтметр (на сопротив­ ление рамки), что тоже вызывает погрешность.

Изменение температуры свободных концов термопары приводит к изменению показаний милливольтметра. Д л я устранения влияния температуры свободных концов применяются различные методы введения поправок. Кроме методов, рас­ смотренных в § 43, используются полуавтоматический и автоматические способы введения поправок.

348

Полуавтоматический способ заключается в том, что при отключенной тер­ мопаре стрелка милливольтметра корректором устанавливается на отметку шкалы, соответствующую температуре свободных концов термопары. После этого прибор будет автоматически вводить нужную поправку. При изменении темпера­ туры свободных концов необходимо соответственно изменить положение стрелки милливольтметра при отключенной термопаре.

На ртгс. 201 показан способ автоматического введения поправки. Д л я этого последовательно в цепь термонары и милливольтметра включается неравновес­ ный мост, у которого сопротивление і\ выполнено из меди и находится в зоне температуры свободных концов термопары: сопротивления r2, г3 и rt сделаны из манганина.

При градуировке мост находится в равновесном состоянии. При отклонении температуры свободных концов термопары в процессе эксплуатации от значения, при котором производилась градуировка, на диагонали моста аб появляется раз­

исключается влияние сопротивления проводов и термопары, и, кроме того, по­ тенциометры имеют более высокий класс точности (0,2—0,5), чем милливольт­

цию плті регулирование.

Д л я исключения влияния температуры свободных концов термопары в схеме потенциометра предусмотрено термосопротпвленпе (рис. 183). Это сопротивление расположено на зажимной плате потенциометра, к которой с помощью удлини1

изменяется компенсирующее напряжение и показания потенциометра остаются неизменными.

Погрешность, обусловленная тепловыми потерями преобразователей термо­ метров сопротивления п термоэлектрических термометров. Любой термометр по существу измеряет температуру топлочувствительного элемента своего преобра­ зователя, помещенного в газовую или жидкую среду. Температура же теплочувствительного элемента всегда отлігчается от температуры среды.

Разность температур среды и теплочувствительной части преобразователя объясняется наличием постоянного теплообмена между средой и преобразова­ телем вследствие тепловых потерь.

Предположим, что преобразователь термометра погружен в измеряемую среду (рис. 262). Нижний конец преобразователя, содержащий чувствительную часть, находится в измеряемой среде, а верхний выступающий конец — вне ее. Допустим, что температура окружающего воздуха, в котором находится высту­ пающий конец преобразователя, ниже, чам температура t контролируемой среды. Тогда от более нагретого конца преобразователя тепло будет переходить в менее

349