книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Т е п л о в ы е м е т о д ы анализа основаны на зависимости теп­ ловых свойств вещества от его химического состава или на определе­ нии температурных изменений при различных физико-химических и фазовых превращениях вещества. Они применяются для анализа газов, вакуума и влажности газов.

Если в качестве измеряемой величины используется теплопровод­ ность газовой смеси, зависящая от концентрации исследуемого ком­ понента, то газоанализаторы называют термокондуктометрическими. Такие приборы используют для измерения концентрации водорода,; двуокиси углерода, аммиака, гелия, хлора и других газов, теплопро­ водность которых значительно отличается от теплопроводности дру­ гих компонентов смеси. Последнее обстоятельство вызвано аддитив­ ным свойством теплопроводности газовой смеси, т. е.

%= т^К2“I-

где т±, т2, ...— мольные концентрации компонентов; ?11( %2, ...— теп­ лопроводности этих компонентов. Термокондуктометрические газоана­ лизаторы применяются в основном для анализа бинарных газовых смесей. Анализ многокомпонентных смесей возможен только при. ус­ ловии, что все компоненты, кроме определяемого, имеют одинаковую теплопроводность.

В термокондуктометрических газоанализаторах, как 'правило, осу­ ществляется непрерывное сравнение теплопроводности анализируе­ мого газа с теплопроводностью воздуха или иного сравнительного газа. При этом следует учитывать, что значение теплопроводности за­ висит от температуры, и, так как температурные коэффициенты тепло­ проводности газов неодинаковы, при некоторых температурах тепло­ проводности различных газов оказываются одинаковыми или равными теплопроводности воздуха (например, для двуокиси углерода и кисло­ рода — при 490 °С, для аммиака и воздуха — при 70 °С, для двуокиси углерода й воздуха — при 600 °С [9, 19]). Для анализа газов при сравнении с теплопроводностью воздуха наиболее благоприятный тем­ пературный режим обеспечивается при 80...100 °С.

Измерительные ячейки термокондуктометрических газоанализаторов обычно представляют собой металлический блок (рис. 23.6), в котором просверлены два сквозных отверстия для прохождения соответственно анализируемого й сравнительного газов. По оси каждой из четырех камер установлены тонкие платиновые нити, изолированные от корпу­ са с помощью изоляционных втулок, причем платиновые проволоки могут покрываться стеклом. Подача и обмен газов в камерах проис­ ходят согласно схеме, показанной на рис. 23.6.

Платиновые проволоки, представляющие собой чувствительные элементы датчика газоанализатора, изготовляются одинаковых раз­ меров с равными значениями электрического сопротивления.

Простейшей измерительной схемой термокондуктометрического га­ зоанализатора является неуравновешенный мост постоянного тока. Все плечи моста образованы платиновыми чувствительными элемента­ ми датчика газоанализатора, через которые протекает постоянный ток

одинакового значения и нагревает их. Для температурной компенса­ ции начальных сопротивлений чувствительных элементов Я1 и ИЗ измерительных камер и Я2, Я4 сравнительных камер включают ре­ гулируемый резистор Ир. До тех пор, пока отвод тепла от нагретых чувствительных элементов Я1, Я2, ИЗ и Я4 в обеих камерах одинаков, мост находится в равновесии.

При подаче в измерительные камеры газа с другой теплопровод­ ностью это равновесие нарушается вследствие изменения температуры чувствительных элементов и вместе с этим и сопротивлений Я1 и ИЗ. Значение тока в измерительной диагонали моста пропорционально концентрации исследуемого газа. Для многих смесей характерна не­ линейная зависимость теплопроводности и концентрации анализируе­ мого газа. Поэтому необходимо снимать градуировочную кривую, по которой должна изготовляться шкала измерительного прибора ИП.

Мостовая схема постоянного тока имеет высокую чувствительность, однако на показания ИП влияет нестабильность источника питания схемы ОВ. Промышленные термокондуктометрические газоанализато­ ры типа ТП основаны на компенсационно-мостовых схемах перемен­ ного тока (автоматический компаратор напряжения), которые при­ меняются для измерения объемных концентраций С02 или На в преде­ лах 0...10, 0...20, 0...30, 20...60, 40...80, 80...100 % в многокомпонент­ ных смесях газов. Основная погрешность газоанализаторов ± 2 ,5 %; инерционность 1...2 мин [24].

Для анализа горючих газов (метана, окиси углерода, водорода, паров бензина и др.) применяют термохимические газоанализаторы, ос­ нованные на измерении повышения температуры за счет полезного тепла, выделяемого при их сгорании (окислении).

Существует два типа термохимических газоанализаторов, в кото­ рых используется реакция каталитического окисления. К первому типу относятся приборы, в которых реакция каталитического горения определяемого компонента осуществляется на поверхности нагретой каталитически активной платиновой или платиново-иридиевой прово­ локи. Эта проволока является одновременно чувствительным элемен­ том измерительной ячейки, конструкция которой аналогична датчикам термокондуктометрических газоанализаторов. Чувствительный эле­ мент нагревается постоянным током до нескольких сотен градусов и на

нем происходит каталитическое дожигание, в результате которого из­ меняется электрическое сопротивление чувствительного элемента. Сравнительный элемент из того же материала, что и измерительный, находится в закрытой камере, заполненной воздухом. Оба элемента вместе с двумя постоянными резисторами образуют неуравновешенную мостовую цепь постоянного тока, аналогичную, изображенной на рис. 23.6. Ток в измерительной диагонали моста пропорционален кон­ центрации измеряемого горючего компонента.

К другому типу относятся газоанализаторы, в которых каталити­ ческое окисление определяемого компонента осуществляется на на­ сыпном катализаторе при протекании через него анализируемой газо­ вой смеси. Полезный тепловой эффект измеряют в рабочей камере с помощью платинового чувствительного элемента, который обычно включается в одно из плеч мостовой неуравновешенной схемы по­ стоянного тока. Остальные плечи моста образованы платиновым сравнительным элементом, компенсирующим изменения температуры окружающей среды, и двумя резисторами с постоянным сопротивле­ нием. Благодаря выделению тепла при сгорании определяемого ком­ понента возрастает температура, а следовательно, и сопротивление чувствительного элемента, вследствие чего нарушается равновесие моста и возникает ток в его измерительной диагонали, пропорциональ­ ный концентрации определяемого компонента в анализируемом газе.

Т е р м о м а г н и т н ы е м е т о д ы газового анализа основаны на температурной зависимости магнитной восприимчивости парамаг­ нитных газов, т. е. газов, притягиваемых магнитным полем. Обычно термомагнитные газоанализаторы используются для измерения кон­ центрации кислорода в газовых смесях, поскольку из всех газов кисло­ род обладает наибольшей магнитной восприимчивостью.

На рис. 23.7 показана схема термомагнитного кислородомера с кольцевой измерительной камерой, выполненной в виде полого метал­ лического кольца, соединенного по горизонтальному диаметру тонко­ стенной стеклянной трубкой. На этой трубке намотана двухсекционная нагревательная платиновая обмотка, образующая одновременно рези­ стивные чувствительные элементы Я1 и Я2, причем чувствительный элемент Я1 расположен между полюсами сильного постоянного магни­ та. Чувствительные элементы Н1 и Я2 вместе с постоянными резисто­ рами КЗ и К4 образуют неуравновешенный мост постоянного тока, питаемый от стабилизированного источника напряжения ОВ.

Если анализируемый газ содержит кислород, то он втягивается в стеклянную трубку со стороны сильного действия магнитного поля. При этом газ нагревается чувствительным элементом Я1, в результате чего падает его магнитная восприимчивость и образовавшийся через стеклянную трубку постоянный газовый поток или холодный газ, втя­ гиваясь в магнитное поле, выталкивает нагретый газ.

Поскольку терморезистор /?/ находится в зоне холодного газа, а терморезистор Я2 — в зоне нагретого, сопротивление первого несколь­ ко уменьшается, а другого увеличивается, что приводит к нарушению равновесия моста. Измеряемое с помощью измерительного прибора ИП напряжение в измерительной диагонали моста пропорционально содержанию кислорода в газовой смеси.

Следует отметить, что показания ИЛ сильно зависят от наклона стеклянной трубки, и для газоанализаторов с диапазоном измерения от 0 она должна быть установлена строго горизонтально. Изменяя угол наклона трубки, можно получать технически интересные диапа­ зоны измерения: 20...21 % 0 2 и 95...100 % 0 2 [91, т. е. диапазоны из­ мерения с подавлением нуля.

Для уменьшения влияния на погрешность измерения нестабиль­ ностей температуры окружающей среды и напряжения питания в тер­ момагнитных газоанализаторах типа МН используется компенсацио- но-мостовая измерительная цепь [19, 24].

23.5. Измерения влажности

Количественное определение влажности газов, твердых и сыпучих материалов необходимо почти во всех отраслях народного хозяйства, в метеорологии и в научных исследованиях. Характерной особенностью измерения влажности является широкий диапазон измерения: от не­ скольких миллионных долей процента (при контроле влажности чис­ тых газов) до значений, близких к 100 % (при измерениях влагосодержания растений и других биологических объектов).

Влажность газов измеряется в единицах абсолютной или относи­ тельной влажности. Абсолютная влажность а (г/м3) — масса водяного пара, содержащегося в единице объема влажного газа. Относительная влажность <р — отношение количества водяного пара, находящегося в одном кубическом метре газовой смеси, к максимально возможному количеству пара, содержащемуся в том же объеме смеси при той же температуре.

Измерение абсолютной влажности газов м е т о д о м т о ч к и р о- с ы заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить при постоянном давлении ненасыщенный газ для того, чтобы он стал насыщенным.

В современных зеркальных гигрометрах точки росы в поток ана­ лизируемого газа помещают металлическое зеркальце, -которое охлаж­ дается с помощью полупроводникового элемента Пельтье. Температу­ ра зеркальца регулируется с помощью фотоэлемента, фиксирующего насыщение газа по образованию на зеркальце росы или выпадению изморози. Температура, измеряемая с помощью контактного термопре­ образователя, служит показателем точки росы. Время установлений показаний составляет несколько секунд.

Абсолютную влажность газов измеряют также электрометрически­ ми подогревными датчиками, которые представляют собой чехол из стеклоткани, пропитанный водным раствором хлористого лития (ЫС1), надетый на чувствительный элемент термопреобразователя. Поверх чехла намотаны две неприкасающиеся между собой проволочки, к ко­ торым прикладывается небольшое напряжение переменного тока. Вследствие протекания тока через проводящий слой раствора 1ЛС1 последний нагревается и гигроскопический слой высыхает. При этом протекание тока прекращается и слой охлаждается до тех пор, пока вновь не станет поглощать влагу из анализируемого газа.

В промежутке между высыханием гигроскопического слоя и по-

глощением воды устанавливается равновесная температура, которая зависит только от абсолютной влажности газа. В качестве термопреоб­ разователя может использоваться терморезистор, включенный в схему автоматического уравновешенного моста.

Для измерения относительной влажности газов при положитель­ ных температурах (0...100°С) широко используется п с и х р о м е т ­ р и ч е с к и й м е т о д , основанный на измерении разности темпера­ тур двух термопреобразователей: сухого (©„), находящегося в иссле­ дуемой газовой среде, и мокрого (0М), который смочен водой и находится в термодинамическом равновесии с окружающей газовой средой. При этом относительная влажность определяется по формуле

где Еа и Ем — максимальные упругости водяного пара соответственно при температурах ©0 и 0 М; р — атмосферное давление; А — психро­ метрический коэффициент, который определяется по специальным психрометрическим таблицам, составленным для определенных кон­ струкций психрометров.

Чем ниже влажность анализируемого газа, тем интенсивнее испа­ рение с поверхности чувствительного элемента мокрого термометра

йтем ниже его температура 0М.

Вавтоматических психрометрах разность температур измеряется

спомощью термопреобразователей сопротивления и автоматических мостов, шкала которых проградуирована в единицах относительной влажности.

Влажность твердых и сыпучих тел определяется либо влагосодержанием

либо влажностью

ММ

™ ~ Мх ~ М^ + М *

где М — масса влаги, содержащейся в теле; М0 — масса абсолютно сухого тела; М г — масса влажного материала.

Иногда величины й и 47 выражают в процентах.

В зависимости от используемых электрических свойств материалов различают кондуктометрический и диэлькометрический, или емкост­

токе, от содержания влаги. Зависимость активного сопротивления Ех испытуемого материала, размещенного между электродами преоб­ разователя, от влажности Н? выражается формулой

где с и к — положительные постоянные коэффициенты, зависящие от исследуемого материала и параметров преобразователя. Для низких

влажностей (№ яа 20 %) используют приближенную формулу, выра­ жающуюся в полулогарифмических координатах:

Нижний предел измерения кондуктометрических влагомеров для большинства твердых материалов ограничен значениями влажности № — 5. ..8 %, что связано с измерением очень больших сопротивлений (Я, > 10м Ом).

Д и э л ь к о м е т р и ч е с к и й , или е м к о с т н ы й , м е т о д основан на зависимости диэлектрических свойств материала от влаж­ ности. Поскольку для сухих веществ диэлектрическая проницаемость е « 2...5, а для воды 8 = 81, небольшое изменение влажности мате­ риала приводит к значительному изменению е.

В качестве измерительных цепей в емкостных влагомерах и диэлкометрах чаще всего применяются трансформаторные мосты с тесной индуктивной связью плеч и резонансные измерительные цепи [24].

Приложение 1

Некоторые единицы СИ и их соотношения с единицами системы СГС

Основные единицы

Контрольные вопросы и задания (по главам)

ным значением физической величины?

1.2.Поясните различия между методом, методикой и видом измерений?

2.1.Поясните понятия принципа действия й приведенные структурные схемы средства измерений прямого и уравновешивающего преобразований.

2.2. Чем обусловлено различие между статическими и динамическими характе­ ристиками; какая связь между временными и' частотными характеристиками преобразования?

3.1.Почему погрешности измерений нельзя отождествлять с погрешностями средств измерений?

3.2.Поясните понятия доверительного интервала и доверительной вероятности.

4.1.В чем заключается сущность сопряжения средств измерений, обеспечения информационной и метрологической совместимости?

4.2.В чем сущность согласования сопрягаемых преобразователей? Зависимость эффективности преобразования от степени согласованности сопротивлений для генераторных и параметрических преобразователей.

5.1.Дайте определения понятий основной и дополнительных погрешностей и класса точности средства измерений.

5.2.Роль, виды и основные правила поверки средств измерений.

6.1.Дайте определение понятий номинального и действительного значений меры н ее погрешности.

6.2.Перечислите основные разновидности мер электрических величин.

7.1.Приведите основные технические характеристики шунтов, добавочных со­ противлений, делителей напряжения и измерительных трансформаторов.

7.2.Укажите на особенности построения измерительных усилителей, приведите их основные технические характеристики.

8.1. Назовите основные элементы конструкции измерительных механизмов и укажите их назначение.

8.2. Укажите основные технические характеристики магнитоэлектрических, вы­ прямительных и термоэлектрических приборов.

8.3.Назовите особенности аналоговых электронных приборов и укажите их ос­ новные технические характеристики.

8.4.Дайте сравнительные оценки электро-, ферродинамических и электромаг­ нитных приборов.

8.5.Объясните принцип работы электростатических приборов и приведите их основные технические характеристики.

9.1.В чем заключается сущность мостового метода измерений? Приведите схе­ мы и укажите основные особенности одинарных и двойных мостов постоян­ ного тока.

9.2.Приведите принципиальную схему и объясните принцип работы компен­ сатора напряжения постоянного тока.

9.3.Укажите особенности построения приборов уравновешивающего преобра­ зования (мостов и компенсаторов) переменного тока.

10.1. Какие основные операции осуществляются над измерительными сигналами в процессе аналого-цифрового преобразования?

10.2. Укажите основные характеристики цифровых измерительных приборов.