книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Ряс. 21.15. Амплитудно-частотные характеристики инерциальных преобра­ зователей

Вторичными преобразователями инерциальных систем могут быть тензорезисторы, наклеенные на упругий элемент системы, реостатный преобразователь, движок которого соединен с колеблющейся массой, индукционный преобразователь. В последнем случае измерительная катушка служит одновременно инерционной массой и преобразовате­ лем. При ее движении в поле неподвижного постоянного магнита, яв­ ляющегося составной частью индукционного преобразователя, наводи­ мая в катушке э. д. с. пропорциональна скорости вибраций. Действи­ тельно,

где В ,Ф — магнитная индукция и магнитный поток; 1,и>— активная длина и число витков измерительной катушки; йуШ — линейная ско­ рость перемещения измерительной катушки и исследуемого объекта (в режиме т] ^ 1)-

Следовательно, инерциальная система с индукционным преобразо­ вателем может быть непосредственно использована как велосиметр, а с применением в качестве вторичного преобразователя электриче­ ского интегрирующего или дифференцирующего устройства — в каче­ стве виброметра или акселерометра. Эти устройства отличаются высо­ кой чувствительностью, имеют достаточно широкий частотный диапа­ зон.

Примером использования индукционного преобразователя для из­ мерений параметров вибраций является прибор типа ВКД-2 (вибро­ метр контактный дистанционный), предназначенный для исследования вибросостояния турбогенераторов и других энергетических установок в условиях их эксплуатации.

На рис. 21.16 показана структурная схема прибора в режиме из­ мерения виброперемещения. Для расширения частотного диапазона в сторону низких частот (до 10 Гц) при собственной резонансной часто­ те вибропреобразователя 14 Гц применена обратная связь. Для этого выходной сигнал интегратора через усилитель обратной связи УОС подается на обмотку обратной связи катушки индуктивности.

Для использования прибора в качестве измерителя виброскорости интегратор переключается из цепи прямого тракта в цепь обратной связи последовательно с УОС.

Диапазон измерения виброперемещения — 2...2000 мкм, а вибро­ скорости — 0,2...200 мм/с в частотном диапазоне 10...200 Гц при виб-

Следует отметить, что в технике измеряемые вибрации могут носить периодический (например, промышленные вибрации, сейсмомет­ рия), случайный (транспортные) или импульсный (удары, взрывы) характер. Поэтому при выборе метода или прибора для измерения па­ раметров вибраций обязательно необходимо располагать информацией об их характере.

Основным параметром движения жидкостей и газов является рас­ ход вещества, протекающего через полное сечение его потока в еди­ ницу времени. Диапазон измеряемых расходов лежит в пределах от

10_3 до нескольких тысяч кубометров в час.

Для измерения малых расходов жидкости и газа часто применяются расходомеры с предварительным преобразованием расхода в силу или перемещение ( р о т а м е т р ы ) , которые обычно воспринимаются диф­ ференциальными трансформаторными или индуктивными преобразо­ вателями.

Наибольшее распространение среди расходомеров с предваритель­ ным преобразованием в скорость вращательного или возвратно-посту­ пательного движения получили скоростные турбинные и шариковые тахометрические расходомеры. Протекающая жидкость приводит во вращение турбинку или шарик, частота вращения которых пропорцио­ нальна средней скорости потока жидкости в данном сечении, а следо­ вательно, и объемному расходу. Установленный с наружной стороны корпуса - первичного тахометрического преобразователя расхода бес­ контактный магнитоэлектрический или дифференциально-трансформа­ торный преобразователь формирует электрические импульсы, частота следования которых зависит от частоты вращения турбины или шарика.

Для измерения скорости и объемного расхода электропроводных жидкостей в трубопроводах применяют индукционные (электромагнит­ ные) расходомеры. Принцип их действия основан на законе электро­ магнитной индукции, согласно которому наведенная в проводнике э. д. с. пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Роль движущегося в магнитном поле проводника играет электропро­ водная жидкость, протекающая через трубопровод. Под действием

где р — давление газа при объеме V и температуре Т; Я — молярная газовая постоянная.

Поскольку в качестве термометрического вещества газового термо­ метра используют реальные газы (водород, гелий, азот), для приведе­ ния его показаний к термодинамической шкале вводят соответствующие

между абсолютным нулем и температурой тройной точки воды, кото­ рой приписано значение 273,16 К, что на 0,01 К превышает температуру таяния льда. Тройная точка воды является реперной точкой, при ко­ торой имеет место равновесие между тремя фазами воды (твердой, жид­ кой и газообразной); эта точка просто реализуется с высокой точностью и в отличие от температуры таяния льда не зависит от давления окру­ жающей среды.

Реализация термодинамической шкалы с помощью газового термо­ метра трудоемка, а верхний предел газовых термометров составляет 1100 °С.

На основе международных соглашений была принята Междуна­ родная практическая температурная шкала (МПТШ), которая при­ ближается к термодинамической температурной шкале насколько это позволяет современный уровень знаний, но значительно легче воспро­ изводится. В настоящее время действует МПТШ-68, предусматрива­ ющая равноправность применения единиц °С и К, а для перерасчета значений температуры из одной шкалы в другую используют зависи­ мость Т = 0-)- 273,15, где @ — температура по шкале Цельсия. Шка­ ла охватывает диапазон от 13,81 до 1337,58К.

(МПТШ-68 основывается на 11 реперных точках [11,241, значения температур которых получены путем измерения соответствующих фазо­ вых переходов с помощью газовых термометров.

Между реперными точками температуру определяют с помощью интерполяционных эталонных приборов и соответствующих интерпо­ ляционных формул. Для воспроизведения шкалы в диапазоне от —259,34 до 630,74 °С служит платиновый термопреобразователь со­ противления, в диапазоне 630,74... 1064,43 °С— платино-платиноро­ диевый термоэлектрический термопреобразователь, а свыше 1064,43 °С температура определяется из отношения спектральной энергетической яркости излучения абсолютно черного тела при данной температуре к спектральной энергетической яркости излучения при температуре затвердевания золота при той же длине волны.

Значения температур, определенных по МПТШ-68, снабжают ин­ дексом 68, например Тв8, @08.

Весь возможный диапазон температур составляет 0...1013 К, а обычно измеряемые температуры лежат в пределах от —273 до 3500 °С. Столь широкий диапазон измеряемых температур и разнообразие ус­ ловий измерений обусловили разнообразие методов и средств ее изме­ рения. При этом в современном промышленном производстве преиму­ щественное распространение получили электрические средства изме­ рения температуры, обладающие общеизвестными преимущест­ вами.

Методы измерения температуры можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактном методе используется первичный пре­ образователь, выходной информативный параметр которого является функцией температуры его чувствительного элемента и который на­ ходится непосредственно в среде, температура которой измеряется. Передача тепла от объекта измерения к чувствительному элементу пер­ вичного преобразователя осуществляется теплопроводностью и конвек­ цией. Бесконтактный метод основан на свойстве тел, имеющих темпе­ ратуру выше абсолютного нуля, испускать тепловое излучение, по энергии которого определяют температуру исследуемого тела.

Выбор того или иного метода измерения определяется рядом фак­ торов, а именно: областью измеряемых температур, агрессивностью среды, механическими нагрузками на первичный преобразователь, динамическими свойствами исследуемого процесса, а также необходи­ мой чувствительностью и точностью измерения. Часто эти факторы находятся, в противоречии, что затрудняет выбор метода. Определяю­ щим в первую очередь являются область измеряемых температур и требуемая точность.

При контактном методе об измеряемой температуре судят по тем­ пературе чувствительного элемента первичного преобразователя, ко­ торая, как правило, несколько отличается от температуры среды. Такое несоответствие обусловлено, с одной стороны, искажениями температурного поля исследуемой среды вследствие неоднородности теплофизических характеристик первичного преобразователя и среды, а с другой стороны,— несовершенством преобразования уже искажен­ ной температуры среды в температуру чувствительного элемента. Ис­ кажение температурного поля зависит в основном от теплоемкостей среды и термопреобразователя, а на практике оно незначительно. Теп­ лоотвод по элементам конструкции термообразователя, радиацион­ ный теплообмен, тепловая инерция, а также такие внутренние источ­ ники энергии, как нагрев чувствительного элемента пассивного термо­ преобразователя измерительным током, и внешние, например нагрев термопреобразователя вследствие торможения на его поверхности га­ зового потока, приводят к методическим погрешностям преобразова­ ния температуры среды в температуру чувствительного элемента.

Для уменьшения методических погрешностей, анализ которых сле­ дует производить в каждом конкретном случае, необходимо правильно выбрать тип и конструкцию первичного преобразователя и правильно его установить на объекте исследования. В частности, для уменьшения погрешностей от теплоотвода выбирают первичный преобразователь с низким коэффициентом теплопроводности и большим отношением его длины к диаметру, увеличивают теплообмен между преобразовате­ лем и средой, уменьшают теплоотток по конструкции преобразователя. Погрешность от излучения уменьшают путем установки защитных эк­ ранов.

В динамическом режиме у контактных средств измерения темпера­ туры возникают динамические погрешности, обусловленные тепловой инерцией термопреобразователя. Они определяются конструкцией, теп­ лотехническими характеристиками преобразователя и среды, а также скоростью изменения температуры.

При бесконтактном методе не требуется размещение первичного преобразователя в среде, температура которой измеряется, что исклю­ чает искажение температурного поля объекта и дает возможность из­ мерять температуру объектов малых размеров, подвижных объектов и таких сред, в которых невозможна долговременная стабильная ра­ бота первичных преобразователей. Ввиду малой инерционности первич­ ных преобразователей бесконтактным методам свойственно высокое

Первичным преобразователям температуры кроме методических по­ грешностей присущи инструментальные погрешности, возникающие при преобразовании температуры чувствительного элемента в выход­ ной электрический сигнал. Они обусловлены отклонением реальной функции преобразования от номинальной (градуировочной), а также ее временной нестабильностью, изменением температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей, несоответствием тер­ моэлектрических характеристик удлинительных проводов характе­ ристикам термоэлектродов, шунтирующим действием изоляции чув­ ствительных элементов, изменением напряжения питания термопре­ образователя сопротивления и др.

Ввиду разнообразия условий измерений и существенных значений методических погрешностей в термометрии погрешности средств из­ мерений в целом не нормируются. Погрешности термопреобразовате­ лей и вторичных измерительных устройств нормируются в отдельности. При этом погрешность термопреобразователя нормируется лишь инструментальной составляющей. Потребитель сам должен оценить методическую погрешность термопреобразователя в конкретных условиях эксплуатации и суммарную погрешность измерения тем­ пературы.

22.2. Контактные методы измерения температуры

Контактные методы измерения температуры основаны в основном на использовании терморезистивных преобразователей, именуемых

термопреобразователями сопротивления (ТС), или термоэлектриче­ ских преобразователей (ТП).

Приборы для измерения температуры с ТС чаще всего строятся по схемам, приведенным на рис. 19,1...19.4. В серийных автоматических самопишущих показывающих и регулирующих приборах обычно при­ меняют схему рис. 19.3. Соединение ТС с вторичным прибором осущест­ вляется по трехпроводной линии связи. Однако при использовании низкоомных ТС и измерении низких температур применяют четырех­ проводную линию связи. Для уменьшения влияния линии связи со­ противления соединительных проводов подгоняют до определенного значения (2,5 ± 0 ,1 Ом или 7,5 ± 0 ,1 Ом).

В качестве вторичных приборов с ТП используют милливольтмет­ ры или автоматические (самопишущие показывающие и регулирующие) потенциометры постоянного тока (см. рис. 19.5). Отличительной

особенностью измерения температуры с помощью ТП является необхо­ димость стабилизации температуры свободных концов либо компенса­ ции влияния изменений этой температуры. Если же температура сво­ бодных концов ТП известна, то значение измеряемой температуры в можно определить из выражения

0 = 0 ' + с ( 0 о -е о),

где 0 ' — показание вторичного прибора, 0 О, 0о— соответственно зна­ чение температур свободных концов ТП при градуировке и измере-

и его свободных концов, изменяется в широких пределах и ее значение неизвестно. Для уменьшения влияния этих изменений используют удлинительные (компенсационные) провода. Поскольку эти провода не подвергаются влиянию исследуемой среды, они изготавливаются из более дешевых материалов, чем электроды термопреобразователя. При этом требуются лишь идентичность термоэлектрических харак­ теристик проводов и термоэлектродов ТП.

Для автоматической компенсации влияния изменений температуры свободных концов ТП или удлинительных проводов применяют тем­ пературозависимые компенсационные схемы, термочувствительный элемент которых размещают в месте подключения свободных концов ко вторичному измерительному прибору.

Один из способов автоматического введения поправок в зависимо­ сти от температуры свободных концов ТП приведен на схеме рис. 22.1. Здесь между ТП и вторичным прибором включают неуравновешенный мост, состоящий из манганиновых резисторов Я2, КЗ, К4 и медного резистора К1, который находится в одинаковых температурных усло­ виях со свободными концами ТП. Параметры моста подбирают так, чтобы при определенном значении температуры свободных концов (например, О °С) он находился в равновесии, а при отклонении тем­ пературы свободных концов от этого значения в диагонали А — В возникало напряжение 1/ав, равное поправке на э. д. с. свободных

концов ДЕ = Ев — Ее, где Ее, Ев — термо-э. д. с. термопары при температуре горячего спая 0 и температуре свободных концов соответ­ ственно ©св и О °С (для которой составлены градуировочные таблицы ТП и рассчитана схема милливольтметра). Расчет схемы ведут соглас­ но выражению

ДЕ = Пав ~ Е х

___________________ Д0 (1 + Д0Св) #3 --Д2Д4______________________

(Дю+ Дд) [До (1 + авсв) + Д 2 + Д3 + До) + [До (1 + авсв) + Д2] (Д3 + До) *

где Е и Кьн — значения э. д. с. и внутреннего сопротивления источ­ ника питания моста; Ко и ос — значения сопротивления при О °С и температурного коэффициента медного резистора К1‘, Кл — сопро­ тивление подгоночного резистора.

22.3. Бесконтактные методы измерения температуры

Приборы, предназначенные для бесконтактного измерения темпе­ ратуры, принцип действия которых основан на использовании энергии излучения нагретых тел, называются- пирометрами излучения.

Основным законом, определяющим взаимосвязь между абсолютной температурой и спектральной плотностью, т. е. количеством энергии, излучаемой в единицу времени с единицы площади поверхности тела и приходящейся на единицу диапазона длин волн, является закон Планка. Для реального тела с излучательной способностью е, являю­ щейся функцией длины волны и температуры, закон Планка имеет вид

где — спектральная плотность излучения; сх = 2яс% — первая постоянная излучения; сг = сН/к — вторая постоянная излучения; с — скорость света в вакууме; к — постоянная Планка; к — постоян­ ная Больцмана. При малых значениях Х71используют формулу Вина

/& = «*аг5е “ пг

Изотермы спектрального распределения энергии имеют максимум, зависящий от температуры, и при данной температуре Т максимальное

значение спектральной плотности, составляющее Яхтах == 1.301 X х КГ5Г5, приходится на длину волны Х ах = 2886/Т мкм. Интеграл от спектральной плотности излучения по X от нуля до бесконечности является законом Стефана — Больцмана:

К* = 5,67 К Г8# 4.

Пирометры делятся на энергетические и спектрального отношения.

В первом случае используют зависимость энергетической яркости объ­ екта от температуры, а во втором — зависимость распределения спект­ ральной плотности энергетической яркости от температуры (зависи­ мость отношения энергетических яркостей в двух или нескольких спек­ тральных интервалах от температуры). К энергетическим пирометрам относятся пирометры частичного и полного излучения, а также квазимонохроматические.

Действие пирометров полного излучения основано на использова­ нии зависимости интегральной энергетической яркости излучения от температуры, описываемой законом Стефана — Больцмана. Температу­ ра, измеряемая данным пирометром, называется радиационной. В пирометрах частичного излучения используется зависимость энергети­ ческой яркости излучения в ограниченном интервале длин волн от температуры. Температура, измеряемая пирометром частичного излу­ чения, называется энергетической. В случае, когда X фиксирована, такие пирометры измеряют квазимонохроматическую (яркостную) тем­ пературу и их обычно называют квазимонохроматическими, или яр­ костными (оптическими). Пирометры полного излучения и монохро­ матические обычно рассматривают как предельные случаи пирометров частичного излучения (в первом случае длина волны изменяется от