Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
2.5.2. Компенсационныйметодизмерениятермо-э.д.с. Компенсационный метод широко применяется для измерения термо - э д с термоэлектрических термометров , напряжения , а также других величин , связанных с напряжением определенной зависимостью Рис . 2.22- Принципиальная схема измерения компенсационным методом Принцип компенсационного метода основан на уравновешивании ( компенсации ) измеряемой э д с известным напряжением , получаемым от строго определенного тока , называемого обычно рабочим , на сопротивлении с известным значением Рассмотрим принципиальную схему , поясняющую компенсационный метод измерения термо - э д с , которая показана на рис . 2.22. Уравновешивающее падение напряжения создается рабочим током I на реохорде ( компенсационном резисторе ) R P При этом сопротивление компенсационной цепи должно быть неизменным , а источник питания должен обеспечивать неизменным во время измерения рабочий ток I. Вдоль реохорда R P перемещается скользящий контакт - движок b, который с помощью провода НО НЭ Rp В t 0 t А I П 74 соединен с одним зажимом переключателя П . К зажиму a реохорда R P присоединен один зажим нулевого прибора Н O, а второй его зажим присоединен к переключателю П Таким образом , при помощи переключателя нулевой прибор можно включить в цепь термоэлектрического термометра АВ или нормального элемента НЭ с э д с Е НЭ При измерении термо - э д с Е (t,t 0 ) нулевой прибор включают в цепь термопары АВ и перемещают движок b до тех пор , пока указатель нулевого прибора не установится на нулевой отметке шкалы При выполнении этого условия падение напряжения на час ти реохорда R P будет равно измеряемой термо - э д с В этом случае будет иметь место равенство : Е (t,t 0 ) = I · R P ′ , где R P ′ - сопротивление участка цепи ab. Включив затем нулевой прибор в цепь НЭ вместо термоэлектрического термометра необходимо установить с помощью движка b заново нулевое показание прибора При этом сопротивление учас тка цепи ab примет значение R ″ P , а при поддержании постоянным рабочего тока I будет иметь место следующее равенство : Е НЭ = I · R ″ P Признаком уравновешивания или компенсации в первом и во втором случае является отсутствие тока в цепи нулевого прибора Разделив почленно эти уравнения , получим : " ' Р НЭ 0 R E ) , ( P R t t E = (2.24) Откуда " ' Р НЭ 0 R Е ) , ( P R t t E ⋅ = (2.25) Таким образом, измеряемая термо-э.д.с. сравнивается с образцовой мерой – напряжением нормального элемента. Этот принцип измерения термо-э.д.с. положен в основу работы потенциометров всех типов с постоянной силой рабочего тока. Общий вид переносного потенциометра показан на рис.2.23. 75 Нормальные элементы, используемые в данном методе измерения, представляют собой обратимые в ысокостабильные гальванические элементы, выполненные из химически чистых веществ и в зависимости от концентрации электролита подразделяются на насыщенные и ненасыщенные. Основные технические характеристики нормальных элементов приведены в таблице 2.12, а схема его устройства на рис. 2.24. Таблица 2.12 - Технические характеристики нормальных элементов T ип НЭ Класс точности Значение э.д.с.. при температуре 20 0 С, В нестабильность э.д.с., мкВ, не более При выпуске из производства При эксплуатации За 1 год За три дня Рабочая температура, Насыщенный 0,0005 0.001 0,002 0,005 От 1,018590 до 1,018700 От 1,018540 до 1,018730 5,0 10,0 20,0 50,0 1,0 2,0 4,0 10,0 19 - 21 18 - 22 18 - 24 10 - 40 Ненасыщенный 0,002 0,005 0,01 0,02 От 1,019000 до 1,019600 От 1,018800 до 1,019600 20,0 50,0 100,0 200,0 4,0 10,0 20,0 4O,0 10 - 40 10 - 40 5 - 40 5 - 50 Рис. 2.23 - Общий вид переносного потенциометра типа ПП-63. Рис. 2.24 - Схема устройства ненасыщенного нормального элемента с жидким электролитом: 1- стеклянная оболочка Н-образной формы; 2- ненасыщенный раствор сульфата кадмия;3- кольцо защитное; 4- амальгама кадмия; 5- сульфат ртути; 6- ртуть 76 2.5.3. Автоматическиепотенциометры Ав томатические потенциометры широко применяются в различных отраслях промышленности для измерения и записи температуры в комплекте с термоэлектрическими термометрами. Они одновременно могут быть использованы для измерения, записи и сигнализации или регулирования температуры. В этом случае потенциометры снабжаются дополнительным устройством для сигнализации или регулирования температуры. Некоторые типы одноканальных потенциометров имеют в своем составе передающ ие преобразователи для дис танционной передачи измерительной информации. Ав томатические потенциометры находят также широкое применение и для измерения других технологических параметров (давления, расхода и т. д.), которые могут быть преобразованы в сигналы напряжения постоянного тока. Рис.2.25 - Типовая принципиальная схема автоматического потенциометра РД- реверсивный двигатель; СД- синхронный двигатель; ТП- термопара; ОВ- обмотка возбуждения реверсивного двигателя. Т О - токоотборник Отличительной особенностью ав томатических потенциометров от переносных и лабораторных является то, что регулирование компенсирующего 77 напряжения, а следовательно и уравновешивание измеряемой термо-э.д.с. от термопары осуществляется перемещением движка по калиброванному реохорду не вручную, а при помощи непрерывно действующего автоматического следящего устройства. Типовая схема ав томатического потенциометра со следящей системой приведена на рис.2.25. В ав томатических потенциометрах используется компенсационная мостовая измерительная схема, состоящая из ряда резисторов и термоэлектрического преобразователя температуры ТП. В диагональ питания мостовой схемы bd включен ис точник стабилизированного питания ИПС и резисторы R I 1 и R I 2 для ограничения и регулирования рабочего тока мос та при градуировке или поверке прибора. В измерительную диагональ ac мостовой схемы включены термопара и токоотборник, воспринимающий определенную часть сопротивления реохорда R P , а также усилитель постоянного тока, выполняющий функцию нуль органа. При равенстве компенсирующего напряжения, снимаемого с реохорда и термо-э.д.с. от термопары, мостовая схема находится в равновесии и на вход усилителя поступает сигнал разбаланса, равный нулю; при этом исполнительный механизм прибора, представляющий собой реверсивный двигатель, находится в покое. В случае изменения термо-э.д.с., вызванное изменением измеряемой температуры, на выходе мостовой схемы появляется напряжение небаланса той или иной полярнос ти, которое приводит к вращению ротора реверсивного двигателя. Выходной вал реверсивного двигателя через систему кинематической передачи перемещает движок реохорда измерительной схемы, изменяя компенсирующее напряжение до тех пор, пока оно не уравновесит измеряемую термо-э.д.с. При этом одновременно приводится в движение каретка с указателем и пером ( печатающ им устройством в многоточечных приборах), фиксируя значение измеряемой температуры по шкале прибора и на диаграммной бумаге. Любые последующие изменения измеряемой термо-э.д.с. снова приводят в действие реверсивный двигатель, который с помощью дв ижка реохорда измерительной 78 схемы изменяет компенсирующее напряжение до значения, равного новому значению измеряемой термо-э.д.с., и приводит в движение каретку, фиксируя новое значение измеряемой температуры. Все резисторы измерительной схемы ав томатического потенциометра для температурной стабилизации изготавливаются из манганиновой проволоки, а дополнительный резистор R M , служащий для ав томатической коррекции температуры свободных концов термопары– из медной проволоки. В потенциометрах, работающих с термопарами градуировок ПП, ХА, ХК и др., кроме ПР 3 0 /6 , этот резистор находится в непосредственной близости с термоэлектродными проводами. Реохорд автоматического потенциометра является ответственным узлом, основным элементом которого является рабочая спираль R P и вспомогательная спираль – токоотвод Т О , изготавливаемые из палладиево-вольфрамрвой проволоки, обладающей высокой износостойкостью и надежностью. а) б) Рис. 2.26 - Промышленные автоматические потенциометры: а – ЭПД- 0,7; б- КСП- 4. На схеме, приведенной на рис 2.25, приняты следующие обозначения: R Ш – шунт реохорда, служащий для подгонки его сопротивления до заданного нормированного значения; R П - резистор для установки диапазона измеряемых температур; R Н - резистор для установления начального значения шкалы; R Б - 79 балластный резис тор для установки различных градуировок, применяемых термопар; R К - контрольный резистор для подгонки рабочего тока мостовой схемы при градуировке. В настоящее время в промышленности применяются автоматические потенциометры типа ЭПД-0,7 и современные показывающие - типа КПП-1, КВП-1 и регис трирующ ие - типа КСП-1, КСП-2, КСП-3, КСП-4. На рис.2.26 показаны промышленные автоматические потенциометры. Из выпускаемых промышленнос тью ав томатических потенциометров в настоящее время нашли широкое применение следующие приборы: миниатюрные (КПП-1, КВП-1, КСП-1) с классом точности 1,0 и шириной диаграммной бумаги 100 мм; малогабаритные (КСП-2, КСП-3) с классом 0,5 и шириной диаграммной бумаги 160 мм для КСП-2 (потенциометр КСП-3 снабжен круговой диаграммой, как ЭПД-0,7); нормальногабаритные (КСП-4) с классом точности 0,25 и шириной диаграммной бумаги 250 мм. Нормальногабаритные приборы выпускаются как одноточечными, так и многоточечными с тремя, шестью и двенадцатью точками контроля. Все они имеют унифицированные выходные сигналы пос тоянного тока с уровнями 0 -5 мА, 0 – 20, 4 -20 мА и 0 – 10 В. На базе указанных автоматических потенциометров выпускаются также миллиамперметры и милливольтметры без изменения измерительной схемы. Это приборы типа КПУ-1, КВУ-1 (показывающие) и КСУ-1, КСУ-2, КСУ-3, КСУ-4 (самопишущие), которые также имеют унифицированные выходные сигналы. В приборах данного типа для измерения силы тока 0 -5 и 0 -20 мА, на входе измерительной схемы устанавливается резистор с сопротивлением 2 и 5 Ом, соответственно. Ток от измерительного ус тройства, проходя по такому резистору, создает падение напряжения 0-10 В, уравновешиваемое компенсирующим напряжением измерительной схемы. 80 Для измерения напряжения в диапазоне 0 – 10 В, на входе потенциометра устанавливается делитель, состоящий из последовательно включенных двух резисторов (например, для измерения напряжения 0–100 мВ резисторы делителя имеют сопротивление 50 и 5000 Ом). В автоматических потенциометрах со шкалой в милливольтах, миллиамперах все резисторы измерительной схемы выполнены из манганиновой проволоки. 2.6. Электрическиетермометрысопротивления 2.6.1. Основныесведения Приборы или устройства, служащие для измерения температур и состоящие из электроизмерительного прибора с подключенным к нему термометром сопротивления, называются электрическими термометрами сопротивления. Электрические термометры широко применяются в промышленности для измерения температур в пределах от - 260 до 750 0 С. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве веществ менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Как показывает практика, большинство чистых металлов при нагреве на 1 0 С увеличивает свое сопротивление в среднем на 0,4-0,6 %, а окислы металлов (полупроводники) и водные растворы солей и кислот при нагревании, наоборот, уменьшают свое сопротивление. Причем изменение сопротивления полупроводников от температуры происходит в 5-10 больше, чем у чистых металлов. За счет этого свойства полупроводниковых материалов наряду с термометрами сопротивления из чистых металлов широко применяются полупроводниковые терморезис торы. Термометры сопротивления из чис тых металлов изготавливаются обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе. Эту обмотку, являющуюся теплочувствительным элементом термометра, в целях предохранения от внешних воздействий заключают в защитную арматуру, аналогичную арматуре термопар (см. рис. 2.17). 81 При измерении температуры термометр сопротивления полнос тью погружают в среду, температура которой определяется. При этом, если известна зависимость сопротивления от температуры, то по его изменению судят о температуре измеряемой среды. Для измерения сопротивления термометров в лабораторных условиях обычно применяют уравновешенные и неурав новешенные мосты, а при точных измерениях - потенциометры. В промышленных условиях термометр сопротивления работает в комплекте с автоматическими уравновешенными мостами и логометрами. Так как обмотка термометра сопротивления занимает сравнительно много места, то с его помощью нельзя измерить температуру в отдельной точке, как, например, у термопар, что в определенной мере ограничивает возможность их применения. Однако, термометры сопротивления являются незаменимым средством, когда требуется измерить среднюю температуру какой-либо среды или участка поверхнос ти. К числу достоинс тв электрических термометров сопротивления следует также отнес ти: • высокую степень точнос ти измерения температуры; • возможность градуировки шкалы прибора на любой допус тимый измеряемый температурный интервал; • возможность централизации контроля температуры путем подсоединения нескольких термометров сопротивления к одному измерительному прибору; • возможность ав томатической записи и дистанционной передачи сигнала измеряемой температуры. 2.6.2. Материалы, используемыевтермометрахсопротивления Материал, предназначаемый для изготовления теплочувств ительного элемента термометров сопротивления, должен отвечать ряду требований. Он должен быть химически инертным и не изменять своих физических свойств, не окисляться и не поддаваться иным вредным воздействиям при нагревании. Температурный коэффициент электросопротивления (ТКС) должен быть по 82 возможности больш им. Зависимость изменения сопротивления материала от изменения температуры должна быть близка к линейной. Химическая инертность материала, предназначенного для изготовления термометров сопротивления, должна быть значительно выше, чем у термопар, т.к. незначительное уменьшение сечения проволоки от химического воздействия среды будет вносить непоправимую погрешность в измерения из- за изменения электрического сопротивления термочувствительного элемента. Приведенным выше основным требованиям, предъявляемым к материалам для термометров сопротивления, из числа чистых металлов удовлетворяют только платина, медь, никель и железо. Платина обладает всеми основными свойствами, предъявляемыми к материалам для термометров сопротивления. В связи с этим она является незаменимым материалом не только для образ цовых и технических термометров, но также и для эталонных, предназначаемых, как известно, для интерполяции международной температурной шкалы в интервале от – 190 до 660 0 С. Теплочувствительный элемент технических термометров сопротивления обычно изготовляется из тонкой платиновой проволоки (диаметром от 0,05 до 0,07 мм) или ленты (сечением от 0,002 до 0,005 мм). Вследствие малой прочности теплочувствительного элемента, изготовленного из такой проволоки, предел измерения температуры для технических термометров сопротивления ограничен и лежит в интервале от -120 до 500 0 С. В отдельных случаях платиновые термометры сопротивления применяют в технике для измерения температуры в области от -200 до 700 0 С. При этом их необходимо изготовлять из проволоки более толс того диаметра от 0,1 мм. На рис. 2.27 приведены зависимости изменения сопротивления применяемых металлов в термометрах сопротивления от температуры. Как видно из рисунка, зависимость сопротивления чистой платины от температуры остается практически линейной в интервале температур от -40 до 650 0 С и определяется следующим уравнением: 83 ) 1 ( 2 0 t B t A R R t ⋅ + ⋅ + = , (2.26) где R t - сопротивление термометра при рабочей температуре; R 0 - сопротивление термометра при 0 0 С; А и В – постоянные определяемые при градуировке термометра. Рис. 2.27 - Изменение сопротивления металлов от температуры В интервале же измеряемых температур от – 190 до 0 0 С зависимость сопротивления платины определяется уравнением: [ ] 3 2 0 ) 100 ( 1 t t С t B t A R R t ⋅ − ⋅ + ⋅ + ⋅ + = , (2.27) где С – постоянная, определяемая также при градуировке термометра. Коэффициенты А, В и С, входящие в уравнения (2.26) и (2.27), определяются обычно в точке кипения воды. Температурный коэффициент сопротивления платины зависит от ее чистоты. Для изготовления образцовых термометров сопротивления применяется платина максимальной чис тоты. Чистоту платины обычно характеризуют отношением сопротивления термометра при температуре кипения и замерзания воды R 1 0 0 /R 0 ( для чистой платины R 1 0 0 /R 0 = 1,391). Для технических платиновых термометров сопротивления R 1 0 0 /R 0 = 1,387 ÷ 1,390. 84 Медь К достоинствам меди относятся ее дешевизна, доступнос ть в виде тонких проводников в любой изоляции, возможность получения проводниковой меди высокой чистоты и сравнительно высокий температурный коэффициент сопротивления (4,25·10 -3 - 4,28·10 -3 град -1 ). Кроме того, к достоинс твам меди следует также отнести линейный характер зависимости ее сопротивления от температуры (см. рис. 2.27) в диапазоне температур от -50 до 200 0 С. Эта зависимость выражается следующей формулой: ) 1 ( 0 t R R t ⋅ + ⋅ = α , (2.28) где R t и R 0 - сопротивление термометра при рабочей температуре и 0 0 С; α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Температурный коэффициент металлов определяется для интервала температур 0 – 100 0 С в соответствии с выражением 100 1 0 100 0 R R R − = α (2.29) К числу недостатков меди следует отнести малое удельное сопротивление ( р = 0,017 ом·мм 2 · м -1 ), что требует значительного количества медного провода при изготовлении термометра сопротивления, а также низкую химическую стойкость при высоких температурах, агрессивных и влажных средах. Никель ижелезо Основными дос тоинствами никеля и железа является то, что они обладают высоким температурным коэффициентом (α N i =6,25·10 -3 , α Fe = 6,4·10 -3 град -1 ) и сравнительно больш им удельным сопротивлением (р N i = 0,95, р Fe = 0,09 ом·мм2·м-1). К числу существенных недос татков железа следует отнести трудность получения одинаковой его чистоты и, кроме того, оно неустойчиво к окислению. Изменение сопротивления железа и, особенно никеля, подчиняется нелинейной зависимости (см. рис. 2.27), что вызывает существенные неудобс тва при их применении. Вследствие указанных выше причин никель применяют до 200-250 0 С, а железо - до 100-150 0 С в условиях, когда термометр сопротивления не подвергается действию влаги. 85 Кроме рассмотренных выше чис тых металлов, применяемых для изготовления термометров сопротивления, в отдельных случаях применяют свинец и фосфористую бронзу, содержащую незначительное количество свинца. Термометры сопротивления, изготовленные из свинца, находят применение главным образом в области низких температур, а термометры из фосфористой бронзы - в области сверхнизких температур. При сверхнизких температурах содержащийся в фосфористой бронзе свинец переходит в сверхпроводящее состояние, вследствие чего и возможно применение такого термометра сопротивления. Полупроводники |