Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
2.7. Определить напряжение разбаланса уравновешенного моста при измерении температуры термометром типа ТСМ Гр.23, если температура изменилась от 100 до 150 0 С, а отношение его балластных плеч составляет R 3 ׃R 2 = 10 ׃100 и U ПИТ = 5 В. 96 Термометр данного типа обладает ТКС = 4,26 · 10 -3 0 С -1 , следовательно, при исходной температуре, равной 100 0 С, его сопротивление в соответствии с выражением (2.28) составит R 100 = 53 · (1+100 · 4,26 · 10 -3 ) = 75,58 ( Ом ). При исходном равновесии моста, по выражению (2.35), определяем сопротивление его сравнительного плеча в соответствии с рис.2.31: R 1 = R T · (R 2 ׃ R 3 ) = 75,58 · (100 ׃ 10) = 755,8 ( Ом). При температуре 150 0 С сопротивление термометра будет равно R 150 = 53 · (1+150 · 4,26 · 10 -3 ) = 86,87 ( Ом ), а сопротивление остальных плеч останется неизменным, т.е. R 1 = 755,8 ( Ом); R 2 = 100 ( Ом); и R 3 = 10 ( Ом). Токи I 1 и I 2 , протекающие в ветвях моста, соответственно будут равны: ) ( 0058 , 0 100 8 , 755 5 2 1 1 А R R U I ПИТ = + = + = ; ) ( 052 , 0 10 87 , 86 5 2 2 А R R U I Т ПИТ = + = + = Падение напряжения на сопротивлениях R 1 и R T , а следовательно и потенциалы в точках C и D соответственно составят: U C = R 1 ·I 1 = 755,8·0,0058 = 4,38 ( В); U D = 86,87·0,052 = 4,52 ( В). Отсюда напряжение разбаланса моста составит: U CD = U C - U D = 4,38 - 4,52 = - 0,14 ( В). 2.7.3. Неуравновешенныемосты Для измерения температуры в эксплуатационных условиях с помощью термометров сопротивления применяют в качестве показывающих приборов неуравновешенные мосты На рис 2.33- а показана принципиальная двухпроводная схема неуравновешенного моста , где R1, R2 и R3 - постоянные сопротивления плеч моста ; R T - сопротивление термометра ; R M - сопротивление милливольтметра ; R P - регулировочное сопротивление ; R K - контрольное сопротивление ; П - переключатель , позволяющий включать либо термометр сопротивления ( положение И ), либо контрольное сопротивление ( положение К ). Если при положении И переключателя П сопротивление термометра изменится , то через милливольтметр , включенный в диагональ моста , потечет ток и с трелка его отклонится Угол отклонения с трелки прибора будет тем больше , чем значительнее нарушено равновесие моста Таким образом , устанавливается известная зависимость между отклонениями стрелки 97 милливольтметра и сопротивлением термометра , позволяющая судить о температуре измеряемой среды Для уменьшения погреш ности измерения вследствие изменения температуры соединительных проводов , соединяющих термометр с измерительным прибором , применяют трехпроводную схему ( см рис . 2.33- б ) либо высокоомные термометры сопротивления Сила тока , протекающего через милливольтметр , включенный в диагональ неуравновешенного моста , выражается следующим уравнением : ) ( ) ( ) )( ( 3 2 1 1 3 2 3 2 1 2 3 1 R R R R R R R R R R R R R R R R R Uab I T T T M T + + + + + + ⋅ − ⋅ ⋅ = , (2.36) где R M – сопротивление моста в точках a b. Из этого уравнения видно, что ток в милливольтметре пропорционален напряжению питания U a b , подаваемого к вершинам моста. Вследствие этого для обеспечения постоянс тва градуировки прибора необходимо поддерж ивать постоянным напряжение питания моста, что обеспечивается подгонкой сопротивления R Р Для контроля напряжения питания служит постоянное независимое от температуры контрольное сопротивление R K , включаемое в схему вместо термометра сопротивления R T с помощью переключателя П. Рис. 2.33 - Принципиальная схема неуравновешенного моста а)- двухпроводная; б) – трехпроводная схема подключения датчика R К R 2 R 1 R 3 I 1 R P R T и к П б ) R К R 2 R 1 a R 3 b I 1 R P R T и к П а ) 98 Величину сопротивления R K выбирают такой, чтобы контрольное деление на шкале, отвечающее этому сопротивлению, совпадало с наиболее часто измеряемой температурой. Поэтому величину R K обычно принимают равной сопротивлению термометра и соединительных проводов, при котором с трелка устанавливается на двух третях шкалы. Эта контрольная точка на шкале милливольтметра обозначается красной чертой. Если при включении сопротивления R K стрелка милливольтметра не дошла до красной черты, то напряжение питания мало, а если перешла – велико и, следовательно, необходима регулировка напряжения питания. 2.7.4. Логометры При измерениях температуры с помощью термометров сопротивления на практике широко используются приборы, называемые логометрами (от греческого слова logos – отношение). Логометры относятся к приборам магнитоэлектрической системы и могут быть использованы также в комплекте с любыми омическими и индукционными датчиками. Измерительная система логометров состоит из двух рамок, помещенных в поле постоянного магнита. При этом механический противодействующий момент у них отсутствует. При измерении угол отклонения, а, следовательно, и уравновешивание подвижной системы логометра определяются отношением сил токов, проходящих через обе его рамки, и поэтому показания логометра не зависят от колебания напряжения источника питания. Принципиальная схема логометра со скрещенными рамками приведена на рис. 2.34. Здесь в междуполюсном пространстве пос тоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены две скрещенные и жестко связанные между собой рамки R p и R' p , изготовленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником цилиндрической формы, закреплёнными так же, как и полюсные наконечники, неподвижно. 99 Рамки логометра включены таким образом, что их вращающие моменты направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам производится с помощью тонких безмоментных вводов, сделанных из золотых ленточек и практически не создающих механического (упругого) противодействующего момента. На приведенной схеме R 1 и R 2 - постоянные сопротивления, а R Т - сопротивление термометра. Ток от ис точника питания в точке А разветвляется и далее проходит по двум ветвям: через рамку R p , сопротивление R 1 , а также рамку R' p и сопротивление R 2 При протекании токов I 1 и I 2 через рамки логометра создаются магнитные поля, которые, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создают вращающие моменты М 1 и М 2 , направленные навстречу друг другу. При изготовлении логометров добиваются, чтобы сопротивления рамок были одинаковыми и R 1 = R 2 + R t в начальной точке шкалы. Тогда токи I 1 и I 2 , протекающ ие через рамки, и моменты М 1 и М 2 будут также равны. Это приведет к тому, что система рамок с закрепленной на ней указательной стрелкой займет определенное положение. Если сопротивление R t вследствие нагрева термометра сопротивления возрастет, то момент М 1 станет больше, т.к. ток I 1 станет больше I 2 и подвижная система станет поворачиваться в направлении дейс твия момента М 1 При этом рамка R Р с большим моментом попадет в слабое магнитное поле и ее момент уменьшится, а момент рамки R′ Р , наоборот, будет увеличиваться. При определенном угле поворота моменты N S R t R 1 R 2 a b + R p R’ p I 1 I 2 I Рис. 2.34 - Принципиальная схема логометра 100 сравняются и подвижная система остановится. Тогда можно записать следующее уравнение: М 1 = М 2 или S 1 · n 1 · B 1 · I 1 = S 2 · n 2 · B 2 · I 2 , (2.37) где S 1 и S 2 – площадь активной части рамок, м 2 ; n 1 и n 1 – количество витков рамок R Р и R′ Р , соответственно; В 1 и В 2 – магнитная индукция в зонах расположения рамок, Т; I 1 и I 2 – токи в соответствующих рамках, А. Принимая в уравнении (2.37) S 1 · n 1 = S 2 · n 2 , получим: ) ( 1 2 2 1 ω f В В I I = = или = 2 1 I I F ω , (2.38) где ω – угол поворота рамок ; f и F – функциональные операторы Подс тавляя в уравнение (2.38) значения токов , проходящих через рамки , 1 1 R R U I P ab + = и T Р ab R R R U I + + = 2 ' 2 , получим : + + + = 1 2 ' 1 R R R R R F P T ω (2.39) Поскольку значения всех сопротивлений постоянны , то угол поворота подвижной системы будет пропорционален измеряемому сопротивлению термометра , т е ω = F(R T ). В логометрах при выключенном напряжении стрелка может ос таваться в любом месте шкалы , поэтому в этих приборах показывающего типа предусматриваются специальные возвратители , либо маломоментные спиральные волоски Рамки логометра обычно изготовляют из медной проволоки , т е из материала с больш им температурным коэффициентом , а сопротивления R 1 и R 2 - из манганина , обладающего практически нулевым температурным коэффициентом Поэтому для уменьшения температурного коэффициента логометра , включенного по схеме , приведенной на рис . 2.34, необходимо , чтобы отношение сопротивления меди к суммарному сопротивлению меди и манганина было по возможности меньшим 101 Для уменьшения погреш ности от температурного изменения сопротивления соединительных проводов применяют высокоомные термометры сопротивления и трехпроводную схему включения термометра Широко применяемые в настоящее время мостовые схемы логометров можно подразделить на две разновидности - симметричные и несимметричные Симметричные мостовые схемы , применяемые для логометров со скрещенными рамками , позволяют осуществить температурную компенсацию , не понижая чувствительнос ти приборов , а несимметричные схемы пригодны только для включения логометров с раздельными магнитными полями или с рамками , расположенными Т - образно Мостовая схема логометра позволяет при одной и той же форме сердечника с полюсными наконечниками и одних и тех же рамках получать практически шкалу с любыми пределами измерения , изменяя лиш ь сопротивление отдельных элементов мостовой схемы Применяемые в промышленнос ти логометры могут быть использованы для регулирования и сигнализации отклонения температуры контролируемых объектов при комплектации их соответс твующими дополнительными устройствами Шкала логометров градуирована в градусах Цельсия , что предполагает их использование с термометрами сопротивления только определенной градуировки 2.7.5. Автоматическиеуравновешенныемосты Для измерения и записи температуры на диаграммной бумаге в эксплуатационных условиях широко применяются вместе с термометрами сопротивления электронные автоматические урав новешенные мосты Схема автоматического моста практически ничем не отличается от схемы лабораторного уравновешенного моста , рассмотренного выше В автоматических мостах уравновешивание происходит не вручную , а автоматически с помощью электродвигателя и специального балансировочного устройства Ав томатические уравновешенные мосты , так же как и автоматические потенциометры , могут быть снабжены дополнительными 102 устройствами для регулирования и сигнализации температуры , а иногда и преобразователями для дистанционной передачи показаний Эти мосты находят также применение для измерения других физических величин , изменения которых могут быть преобразованы в изменение активного электрического сопротивления Шкала автоматических уравновешенных мостов градуирована в градусах Цельсия и действительна для работы с термометрами сопротивления соответс твующей градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии Ав томатические уравновешенные мос ты являются техническими приборами высокого класса точности , которые соответствуют установленным классам 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5 аналогично , как и для автоматических потенциометров В настоящее время используются автоматические уравновешенные мосты типов КПМ , КВМ и КСМ 1, КСМ 2, КСМ 3, КСМ 4. Конструкция и типоразмеры мостов серии КСМ полностью соответс твуют типоразмерам ав томатических потенциометров серии КСП ( см выше ). Ав томатические уравновешенные мосты выпускаются как одноточечные , так и многоточечные (3, 6 и 12 точек контроля ). В ав томатических мостах используется измерительная схема четырехплечного моста с реохордом Эта схема при обеспечении высокой точности измерения позволяет выполнять шкалы ав томатического моста односторонние , двусторонние и безнулевые Принципиальная схема ав томатического уравновешенного моста приведена на рис . 2.35. На этой схеме приняты следующие обозначения : R P – реохорд ; R Ш – шунт реохорда , служащий для подгонки сопротивления реохорда до нормированного значения ; R П – резистор установки диапазона измерения ; R Д – добавочный резистор для установки начального значения шкалы ; Т О – токоотвод ; R Б – балластный резистор для ограничения тока питания мостовой схемы ; R 1 , R 2 , и R 3 – резисторы мостовой схемы ; R Т – термометр сопротивления ; R Л – резисторы для подгонки сопротивления линии 103 связи ; РД – реверсивный асинхронный двигатель ; СД – синхронный двигатель для привода диаграммы Все резис торы мостовой схемы изготовлены из высокостабильной манганиновой проволоки Реохорд и токоотвод автоматических мостов аналогичны по своему устройству таким же узлам автоматических потенциометров Рис . 2.35 - Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста Термометр сопротивления подключается к автоматическому мосту по трехпроводной схеме , что значительно снижает дополнительную погреш ность , вызванную изменением сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающего воздуха Номинальное суммарное значение сопротивления соединительных проводов нормировано и установлено для каждого провода равным 5 Ом Мост работает следующим образом При изменении температуры измеряемой среды изменяется сопротивление термометра R T , нарушается усилитель РД СД a b R д Rp To ИП R Ш R П R 1 R 3 R Б R 2 каретка Диаграмная бумага шкала ОВ R Т R Л R Л 104 баланс моста и напряжение разбаланса подается от точек а и b измерительной схемы на усилитель Выходной сигнал усилителя поступает на обмотку возбуждения ОВ реверсивного двигателя и приводит его во вращение Вал реверсивного двигателя кинематически связанный с движком реохорда и кареткой перемещает их до тех пор , пока напряжение небаланса , уменьшаясь , не станет равным нулю При этом мост приходит в новое состояние равновесия , реверсивный двигатель останавливается , а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение , соответствующее сопротивлению термометра в данный момент времени 2.8. Методикаконтактногоизмерениятемпературы В соответс твии с поставленными задачами и требуемой точнос тью при измерении температуры среды должен быть сделан соответствующ ий выбор термометра расширения , электрического термометра , термоэлектрического термометра и др Допустимые погреш ности при измерении температуры определяют те требования , которые должны быть предъявлены к термометру по точности При этом , в первую очередь , необходимо иметь в виду погрешность , которую термометр обеспечивает в конкретных рабочих условиях Одновременно с выбором термометра по его точнос ти необходимо решать вопрос и о предельном значении его шкалы Это связано с тем , что для стационарных термометров основная погрешнос ть связана с предельным значением его шкалы Вследствие этого для обеспечения наибольшей точности измерения желательно , чтобы измеряемая температура была близка к предельному допустимому значению для данного термометра Внешние условия работы вторичных приборов , входящих в комплект термометра , могут быть различны ( окружающая температура , вибрации и т д .). 105 Эти условия могут значительно влиять на результаты измерения , поэтому при выборе термометра их необходимо также учитывать Если вторичный прибор термометра работает при температуре окружающей среды ниже или выше нормальной , то исключить полностью влияние температуры на прибор практически невозможно В таких случаях необходимо вводить соответс твующие поправки Необходимо также отметить , что температура среды для в торичных приборов не должна быть ниже - 4 0 С или выше + 40 0 С и , кроме того , среда не должна быть сильно запыленной , влажной и агрессивной В противном случае следует применять специальные защитные устройс тва либо другие меры , обеспечивающие удовлетворительные условия работы прибора Если в торичный прибор термометра приходится устанавливать в местах , где имеют место и неустранимы вибрации , применяют амортизаторы Точность измерения температуры зависит не только от точности применяемого термометра , но и от правильной установки его термоприемника ( термометра сопротивления , термопары , термобаллона манометрического термометра ). Термометр , на каком бы принципе он ни был основан , показывает только свою собственную температуру Эта равновесная температура , или так называемая собственная температура термоприемника , и рассматривается как температура измеряемой среды Поэтому для обеспечения надлежащей точности измерения температуры необходимо прежде всего обеспечить правильную установку чувствительной части термометра Так , например , если стеклянный термометр , служащий для измерения температуры наружного воздуха , выставить на солнце , то ртуть в термометре нагреется за счет лучис той теплоты , и термометр будет показывать температуру более высокую , чем температура окружающего воздуха В этом случае , для того , чтобы термометр показывал правильную температуру , необходимо защитить его от воздействия лучис той теплоты 106 Термоприемник , установленный в измеряемую среду , представляет в ней постороннее тело , которое в той или иной мере подводит или отводит тепло и тем самым вызывает нарушение первоначального температурного поля в мес те измерения Это обс тоятельство также может быть источником погрешнос тей Например , при измерении температуры в каком - либо месте твердого тела после установки термопары температура в этом месте может изменяться вследствие отвода или подвода тепла от него по электродам термопары Идеальным способом установки термоприемника термометра является такой , при котором отсутствовали бы приток или утечка тепла от места измерения Осуществить это условие практически невозможно Однако путем ряда мероприятий всегда можно свести погрешности измерения к минимуму Следует отметить , что при измерении температуры среды необходимо также учитывать погреш ности , обусловленные тепловой инерцией термоприемника , т к вследствие инерции температура его не всегда будет изменяться так же , как и температура среды При измерении температуры жидких и газообразных сред контактными методами необходимо учитывать погрешнос ти , вызываемые влиянием теплообмена между измеряемой средой и датчиком , стенками сосуда , где находится измеряемая среда , теплопроводности арматуры самого датчика и т д Рассмотрим процесс теплообмена при ус тановке термоприемника в трубопроводе ( см рис . 2.36). Рис . 2.36 - Термоприемник , установленный в трубопроводе |