учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
§ 6.3. Электрические термометры сопротивления Измерение температуры по электрическому сопротив- лению тел основано на зависимости его от температуры. 145 Электрические термометры сопротивления позволяют измерять температуру с высокой степенью точности — до 0,02 °С, а при измерениях небольшой разности темпера- тур — до 0,0005 °С. Термометры сопротивления по сравнению с манометри- ческими термометрами обладают следующими преимуще- ствами: более высокой точностью измерения; возможно- стью передачи показаний на бо́льшие расстояния; возмож- ностью централизации контроля температуры, достигае- мой присоединением (через переключатель) нескольких термометров к одному измерительному прибору, и мень- шим запаздыванием показаний. Промышленные термометры сопротивления ГСП кон- структивно состоят из термоэлемента (чувствительного эле- мента) и наружной (защитной) арматуры. В качестве матери- ала для чувствительных элементов промышленных термо- преобразователей сопротивления используют металлы с хо- рошей электропроводностью, такие как платина, медь. Чув- ствительный элемент металлического термопреобразователя сопротивления представляет собой тонкую платиновую или медную проволоку, помещенную в каналы защитного каркаса и намотанную на каркас или свернутую в спираль и (рис. 6.9). Рис. 6.9. Конструкция платинового чувствительного элемента: 1 — платиновая спираль; 2 — выводы; 3 — термоцемент; 4 — керамический каркас; 5 — пайка спиралей 146 Платиновые термометры сопротивления (ТСП) предна- значены для измерения температур от −260 до +750 °С. Для измерения низких температур (до −260 °С) применяют ТСП, защитная гильза которых заполнена гелием. Медные термометры изготовляют только техническими (тип ТСМ) по ГОСТ 6651–94. Конструктивная форма их показана на рис. 6.10. Медную изолированную проволоку 1 диаметром 0,08 мм наматывают обычно без каркаса бифилярно и покрывают фторопластовой пленкой 2. Концы проволоки припаивают к выводам 3, которые присоединяют к зажимам головки тер- мометра. Медные термометры выпускают для измерения температуры от −50 до +180 °С. Рис. 6.10. Конструкция медного термометра сопротивления Типы, основные параметры и размеры термометров со- противления, выпускаемых промышленностью, регламен- тированы ГОСТом. Условные обозначения градуировки термометров сопротивления ТСП установлены следую- щие: гр. 20; 21; 22; 23 и 24. Для термометров с градуировкой 20, 21 и 22 началь- ное сопротивление (R 0 ) составляет соответственно 10; 46 и 100 Ом. Термометры сопротивления медные ТСМ выпус- каются с сопротивлением R 0 = 53 Ом (гр. 23) и R 0 = 100 Ом (гр. 24). 147 Комплекты термопреобразовате- лей КТПТР-01 предназначены для измерения температуры и разности температур в составе теплосчетчи- ков и других приборов учета и кон- троля тепловой энергии в тепловых сетях промышленных предприятий и теплоснабжающих организаций. Комплект термометров представ- ляет собой два платиновых термо- метра, подобранных по заданным параметрам таким образом, что раз- ница между ними в показаниях тем- пературы минимальна, что позволяет снизить до минимума погрешность в показаниях потребляемой тепловой энергии. Характеристики комплекта в части конструктивных особенностей, устойчивости к воздействию факторов окружающей среды, механиче- ским воздействиям, давлению, а также климатическое исполнение со- ответствуют аналогичным параметрам входящих в комплект термо- метров. Электрическая схема соединений — четырехпроводная. Терморезисторы. Для изготовления термопреобразова- телей сопротивления применяют также полупроводники, оксиды титана, магния, железа, никеля, меди или кристаллы некоторых металлов (например, германия). Существенным преимуществом полупроводниковых термометров (термо- резисторов) является их большой температурный коэффи- циент электрического сопротивления. Поэтому из полупро- водников можно делать термометры с большим начальным сопротивлением, что позволяет снизить до незначительных величин погрешности, вызываемые изменением температу- ры соединительных проводов. Для измерения температуры наиболее часто применяют терморезисторы типов ММТ-1, ММТЧ, ММТ-6, КМТ-4, со- противление которых в рабочих интервалах температур из- меняется по экспоненциальному закону. Рис. 6.11. Комплект термометров сопротивления КТПТР-01 148 Основными недостатками, препятствующими широкому внедрению терморезисторов в практику систем автомати- ческого контроля, являются: низкая воспроизводилось параметров, что исклю- чает их взаимозаменяемость; сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от −60 до 180 °С). На рис. 6.12 показан стержневой терморезистор, пред- ставляющий собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к которым припаяны выводы 3. Цилиндр покрыт эмале- вой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезистор защищен металлическим чехлом 5, в верх- ней части которого имеется стеклянный изолятор 6. Рис. 6.12. Бусинковое полупроводниковое термосопротивление Измерительные приборы термометров сопротивления. Сопротивление термометров можно измерить по обычным в электротехнике мостовым схемам: уравновешенным и не- уравновешенным. 149 Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис. 6.13, а. Термометр сопротивления R t и расположен- ные последовательно с ним два сопротивления R л соедини- тельных линий включаются в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DВ моста подается напряжение от батареи Б. Изменяя величину сопротивления R 3 добиваются равенства напряжения в точках А и С, что подтверждается отсутстви- ем тока в диагонали АС при измерении его гальванометром С. Такое положение соответствует равному отношению падения напряжения в плечах обеих ветвей моста. Сопротивление линии R л подгоночной катушкой уста- навливается постоянным. Сопротивления R 2 и R 1 постоян- ны и выполнены (так же, как и сопротивление R 3 ) из ман- ганина. Мостовая схема изображена на рис. 6.13, а; она от- личается высокой точностью измерения и практически не зависит от напряжения батареи Б. Рис. 6.13. Схемы измерительных мостов для измерения сопротивления термометров: a — простейший уравновешенный мост: б — уравновешенный мост с трехпроводным исключением термометра; в — неуравновешенный мост 150 При нулевом отсчете по гальванометру отпадают погреш- ности, обусловленные температурой окружающей среды и посторонними магнитными воздействиями. Некоторую не- определенность в эту схему может внести переходное сопро- тивление передвижного контакта R 3 , а также возможное из- менение сопротивления соединительных проводов R л , по- скольку изменяется их температура. Эти неопределенности практически можно исключить, если собрать мостовую схе- му, показанную на рис. 6.13, б. В этом случае передвижной контакт не относится к сопротивлению плеча АВ, а включен в диагональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при нулевом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивления R л соединительных линий на показания моста точка В пере- несена к термометру. В трехпроводной схеме влияние величины ∆R л на показа- ния будет существенно меньше (на порядок и больше), чем в двухпроводной схеме, даже для самой неблагоприятной точ- ки шкалы. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения R л при помощи отдельных подгоночных сопротивлений в каждой линии. На рис. 6.13, в показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления R t , включенного по трехпро- водной схеме. В диагональ моста СА включается вместо гальванометра миллиамперметр mА. Напряжение питания моста вдиагонали ВD должно поддерживаться постоян- ным. Контроль напряжения в диагонали ВD осуществляет- ся включением контрольного сопротивления R к при пере- ключателе в положении 2. Для установленного значения напряжения при постоян- ных сопротивлениях плеч R 1 , R 2 , R 3 и R к сила тока в диаго- нали СА будет иметь определенное значение, что контроли- руется миллиамперметром. Отклонение от установленной величины тока корректируется сопротивлением R рег . После 151 того, как установится напряжение ЕBD в точках В и D пере- ключатель ставят в положение 1 и измеряют сопротивление R t по силе тока I CA в диагонали СА. Недостаток схемы — необходимость поддержания по- стоянного напряжения в вершинах СА — можно легко устранить, применив источники стабилизированного пита- ния типа ИПС по ГОСТ. В последние годы неуравновешенные мосты для измере- ния температур применяют редко, лишь в приборах для из- мерения величин, преобразуемых в активное сопротивление. Логометры. Эти приборы предназначены в основном для измерения температуры при помощи термометров сопротив- ления. Логометры построены на принципе сравнения сил то- ков в цепях термометра и постоянного сопротивления. Логометр представляет собой двухрамочный магнито- электрический миллиамперметр. Подвижная часть его (рис. 6.14, а) состоит из двух рамок R 1 и R 2 , жестко соеди- ненных одна с другой и со стрелкой, конец которой пере- мещается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре переменной ширины между полюсами S и N постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керновых опорах. Для подвода тока к рамкам применяют спиральные пружины либо без мо- ментных вводов, практически не создающие противодей- ствующего момента, либо маломощные, противодейству- ющий момент которых много меньше магнитоэлектриче- ского момента рамок. Обе рамки питаются от общего источника постоянного тока Б (рис. 6.14, б) с напряжением Е б Последовательно с рамкой включено постоянное сопро- тивление R к , а последовательно с рамкой R 2 — термометр R t . Магнитные моменты, возникающие в рамках, соответствен- но равны 152 M 1 = k 1 B 1 i 1 ; (6.7) M 2 = k 2 B 2 i 2 , (6.8) где k 1 и k 2 — постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими размерами рамок и числом витков проводов в них; В 1 и В 2 — магнитные индукции в местах расположения рамок. Рис. 6.14. Логометр: а — принципиальная схема; б — электрическая схема; 1–4 — зажимы В различных точках зазора переменной ширины маг- нитная индукция будет различной. Отношение индукций В 1 и В 2 для жестко скрепленных рамок зависит от их угла поворота φ = f1 (В 1 / В 2 ). В положении равновесия магнитные моменты рамок бу- дут равны или k 1 B 1 i 1 = k 2 B 2 i 2 В 1 / В 2 = k 2 i 2 / R 1 i 1 , (6.9) откуда угол поворота рамок φ = f 2 (i 2 / i 1 ) = f 2 [(R 1 + R K )/(R 2 + R t )]. (6.10) 153 Учитывая, что R 1 и R 2 и R K практически постоянны, φ = F(R t ). (6.11) Напряжение батареи Б теоретически совсем не влияет на угол поворота рамок. Практически изменение напряжения становится заметным лишь при отклонениях, отличающихся от номинального (расчетного) значения более чем на 20 %. Для повышения чувствительности в реальные схемы включают рамки логометра R p ' и R p " в диагональ неурав- новешенного моста с постоянными сопротивлениями R 1 и R 2 и R 3 (рис. 6.14, б) Манганиновое R 4 и медное R 5 сопро- тивления служат для уменьшения общего температурного коэффициента логометра (при изменении температуры окружающей среды). Термометр R t с сопротивлениями ли- ний R л может быть включен в трехпроводной схеме. В цепь термометра сопротивления вводится нормально за- короченное сопротивление R к (иногда обозначаемое R э ). При контроле работы логометра снимают закорачивающий шунт сопротивления R к и закорачивает термометр R t , со- единяя точки 1 и 2 схемы. Стрелка логометра должна при этом устанавливаться на определенном значении шка- лы прибора (красной черте). Классы точности переносных логометров — 0,2; 0,5 и 1,0, а стационарных щитовых — 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5. Логомет- ры могут быть показывающими, самопишущими (до 12 то- чек измерения), а также иметь дополнительные устройства для регулирования и сигнализации. Автоматические мосты. В автоматических уравно- вешенных мостах (рис. 6.15) движок реохорда перемеща- ется автоматически. Измерительная схема мостов питается как постоянным, так и переменным током. 154 Рис. 6.15. Автоматический уравновешенный электронный мост типа КСМ-4: СД — синхронный двигатель В автоматических мостах переменного тока решающее влияние на измерение оказывают активные сопротивления, поэтому приведенные выше соотношения для мостов посто- янного тока сохраняются и для автоматических мостов пере- менного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мо- стами постоянного тока: измерительная схема питается от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника пи- тания и отпадает необходимость в применении вибрационно- го преобразователя. 155 Существует много различных модификаций автоматиче- ских уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается прин- ципиальная схема электронного автоматического уравнове- шенного моста типа КСМ-4. Питание моста подается в диа- гональ от отдельной обмотки трансформатора в усилителе ЭУ. Для получения расчетного напряжения на вершинах В и О в диагональ включается балластное сопротивление. Тер- мометр R t включен по трехпроводной схеме в плечо моста АВ. Реохорд R Р вместе с шунтирующим сопротивлением обычно имеет приведенное сопротивление, равное 90 Ом. Сопротивления (R П1 + r П ) и (R д1 + r д1 ) определяют преде- лы измерения по шкале. Значения сопротивлений моста R 1 и R 2 и R 3 определяются соответствующим расчетом. Изме- рительная схема питается переменным током. Это исклю- чает необходимость применения вибрационного преобразо- вателя. Поскольку мост является уравновешенным, нет необходимости строго выдерживать постоянство напряже- ния на вершинах В и D. Поэтому никаких стабилизаторов напряжения не предусмотрено. Уравновешенные мосты вы- пускают нескольких модификаций. Они могут быть одното- чечными и многоточечными (количество точек — 6, 12 или 24); класс точности уравновешенных мостов 0,5. Для дистанционного измерения температуры применя- ют преобразователи различных типов. § 6.4. Термоэлектрические термометры Измерение температуры термоэлектрическими преоб- разователями основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из двух или более разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру. 156 Цепь, состоящая из двух разнородных проводников (рис. 6.16), называется термоэлектрическим преобразовате- лем (ТЭП). Спай, имеющий температуру t, называется горя- чим или рабочим, а второй, имеющий постоянную темпера- туру t 0 — холодным, или свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, чис- ло которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой электроны из металла А диффунди- руют в металл В в большем количестве, чем обратно. Поэто- му металл А заряжается положительно, а металл В — отрица- тельно. Рис. 6.16. Термо- электрическая цепь из двух проводников Рис. 6.17. Цепь с третьим проводником С, включенным: а — в спай термопреобразователя; б — в термоэлектрод термопары 157 Если для данной термопары найдена зависимость Е AB = f (t), определяемая градуировкой, то измерение темпе- ратуры сводится к определению ТЭДС термопары. Для включения измерительного прибора в цепь ТЭП необходимо разорвать электрическую цепь. Сделать это можно в спае с температурой (рис. 6.17, а) или в одном из термоэлектродов (рис. 6.17, б). Несмотря на внешнее различие схем, показанных на рис. 6.17, ТЭДС, развиваемые термоэлектрическими преоб- разователями ТЭП, одинаковы, если температуры t, t 0 и тем- пературы концов проводника С также одинаковы. Из этого следует, что ТЭДС ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. На этом основании в цепь ТЭП включают соединительные провода, измерительные приборы и подгоночные сопротивления. При неравенстве температур концов третьего провод- ника ТЭДС ТЭП уменьшится на величину ЭДС паразитной пары АС (рис. 6.17, а) при температурах концов проводни- ка t 1 ' и t 0 и t 0 '. Из этого следует, что в цепи ТЭП желатель- но применять проводники, термоэлектрические свойства которых незначительно отличаются от таковых свойств термоэлектродов термоэлектрических преобразователей. Как уже говорилось, ТЭДС ТЭП является функцией из- меряемой температуры лишь при условии постоянства температуры холодного спая (t 0 = соnst). ТЭП градуируют при определенной постоянной тем- пературе холодного спая (обычно при t 0 = 0 °С, реже при t 0 = 20 °С). При измерениях температура холодного спая может быть иной (t 0 '), не равной температуре градуировки. Несовпадение температур t 0 и t 0 ' вызывает необходимость внесения поправки. Величину поправки можно получить для данного ТЭП из градуировочной таблицы или, при не- больших значениях разности t 0 − t 0 ', из характеристической 158 кривой. При этом можно принять прямолинейную зависи- мость E = f (t). В дальнейшем величину ТЭДС ТЭП будем обозначать Е т По ГОСТ 3044–84 принято шесть видов технических термо- электрических преобразователей с металлическими термо- электродами. Платинородий-платиновые (платинородий содержит 90 % платины и 10 % родия) ТЭП. Тип ТПП имеет градуи- ровку ПП6в. В зависимости от назначения эти ТЭП разделя- ют на эталонные, образцовые и рабочие. Платинородий- платиновые преобразователи надежно работают в нейтраль- ной и окислительных средах, но быстро выходят из строя в восстановительной среде. К недостаткам преобразователей этого типа следует отнести малую ТЭДС по сравнению с ТЭДС других ТЭП. Диаметр термоэлектродной проволоки, применяемой для ТЭП типа ТПП, составляет 0,3 или 0,5 мм. Платинородий-платинородиевые (соответственно 30 и 6 % родия) ТЭП (тип ТПР) имеют градуировку ПР 30/668. Особенностью преобразователя данного типа является то, что он развивает очень малую ТЭДС (0,04 мВ при 120 °С и 0,002 мВ при 20 °С), что не требует поправки на темпе- ратуру холодных спаев. Хромель-алюмелевый преобразователь (94 % Cr + 2 % Аl + + 2,5 % Мn + 1 % Sі + 0,5 % примеси) ТЭП (тип ТХА) имеет градуировку ХА68. Эти ТЭП применяют для измерения тем- ператур до 1 300 °С. Кривая зависимости ТЭДС для данного преобразователя близка к прямой. ТЭП типа ТХА хорошо работает в окислительных средах и сравнительно быстро разрушается в восстановительной среде. Хромель-копелевый преобразователь (56 % Си + 44 % Nі) ТЭП (тип ТХК) имеет градуировку ХК68. Эти ТЭП разви- вают наибольшую ТЭДС из всех стандартизованных ТЭП, что позволяет изготовлять измерительные комплекты с узкой температурной шкалой, например 0–300 °С. 159 Стандартные ТЭП типа ТХК и ТХА изготавливают из термоэлектродной проволоки диаметром от 0,7 до 3,2 мм. Вольфрам-рениевый преобразователь (20 % рения, тип ВР-5/20) применяют для измерения температуры до 2 300 °С в нейтральной и восстановительной средах, а также для из- мерения температуры расплавленных металлов. Иногда применяют и нестандартизованные преобразо- ватели. Из них наиболее широко используют медь- копелевые, железо-константановые и медь-константановые ТЭП. Нестандартизованные ТЭП после изготовления под- вергают обязательной индивидуальной градуировке. Конструктивное оформление термоэлектрических пре- образователей разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 6.18 показан ТЭП ти- пичной конструкции. Как правило, рабочий спай промыш- ленных ТЭП изготовляют сваркой в пламени вольтовой дуги. ТЭП из неблагородных металлов сваривают под сло- ем флюса, а ТЭП из платиновой группы — без флюса. Пайку применяют только при изготовлении нестандарти- зованных ТЭП из очень тонкой термоэлектродной прово- локи. Из специальных следует назвать многозонный ТЭП, при- меняемый для позонного измерения температуры в верти- кальных аппаратах (в колоннах синтеза аммиака, метанола и др.). Чехол такого ТЭП представляет собой трубу, в которую помещен пучок изолированных один от другого ТЭП раз- личной длины. 160 Рис. 6.18. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем: 1 — горячий спай термопары; 2 — фарфоровый наконечник; 3 — защитная трубка; 4 — фарфоровые двухканальные бусы; 5 — передвижной фланец для крепления термопары; 6 — корпус головки; 7 — фарфоровая головка; 8 — штуцер для проводов; 9 — асбестовый шнур: 10 — винт для цепочки; 11 — крышка; 12 — прокладка; 13 — зажимы; 14 — винты для крепления колодки; 15 — винты для крепления проводов; 16 — винты для крепления термоэлектродов в зажимах Провода, соединяющие ТЭП с измерительным прибо- ром, изготавливают из материалов, которые в паре между собой развивают те же ЭДС (при тех же температурах), что и ТЭП, к которому они подсоединены. Такое требование 161 ограничивается температурой примерно 100 °С, выше ко- торой характеристики ТЭП и соединительных проводов могут различаться. Это допустимо, так как температура соединительных проводов обычно не бывает высокой. При соблюдении указанного требования провода удлиняют ТЭП на длину соединительных проводов, а свободные концы ТЭП оказываются на клеммах прибора, предназна- ченного для измерения ТЭДС. Несоблюдение указанного выше требования привело бы к возникновению «паразитных» ЭДС в результате образо- вания спаев в местах соединения свободных концов ТЭП с соединительными проводами. Например, для ТЭП типа ТХК применяют хромель-копелевые провода, а для ТЭП типа ТХА — один провод медный, а второй константано- вый (60 % Сu и 40 % Ni). Измерительные преобразователи для ТЭП рассмотрены выше. Удобная для монтажа термопара ТД729 предназначена для измерения температуры в диапазоне от −150 до 800 °С. Корпус термо- пары выполнен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, наружный диаметр корпуса 10 мм. Толщина стенки 2 мм. Корпус имеет штуцер М22 × 1,5. Рабочий спай изолирован относи- тельно корпуса. Рис. 6.19 Термопара ТД729 Приборы для измерения термоэлектродвижущих сил. Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектриче- ских термометров применяют магнитоэлектрические милли- вольтметры и потенциометры. Милливольтметры делятся на переносные и стационарные, а потенциометры — на лабораторные, переносные и авто- матические. Милливольтметры — магнитоэлектрические 162 приборы, работа их основана на взаимодействии провод- ника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Магнитная система милливольтметра (рис. 6.20) со- стоит из магнита, полюсных наконечников и цилиндрическо- го сердечника. В кольцевом воздушном зазоре между полюс- ными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного или, реже, алюминиевого изолированного провода. Чаще всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Момент, противодей- ствующий вращению рамки, создается спиральными пружин- ками, которые одновременно служат и для подвода тока к рамке. Рис. 6.20. Магнитная и подвижная системы милливольтметра: 1 — постоянный магнит; 2 — полюсный наконечник; 3 — сердечник; 4 — рамка 163 В регистрирующих приборах рам- ка подвешена на тонких металличе- ских лентах (рис. 6.21). Грузиками подвижная система уравновешивается так, что центр ее тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух оди- наковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку. Рис. 6.21. Схема крепления рамки на ленточных подвесках: 1 — лента подвеса; 2 — рамка; 3 — стрелка; 4 — грузики Сила тока, протекающего по рамке, определяется ТЭДС термоэлектрического преобразователя Е т и сопротивлени- ем электрической цепи R, т. е. I = E т / R. (6.12) Сопротивление цепи складывается из сопротивления ТЭП R т , сопротивления соединительных проводов R сп и сопротивления рамки R р , т. е. R = R т + R сп + R р (6.13) Следовательно, для угла поворота рамки получим φ = K E т / (R т − R сц + R Р ). (6.14) Из уравнения (6.14) следует, что для получения одно- значной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от ТЭДС ТЭП Е т необходимо, чтобы сопротивление цепи оста- валось всегда постоянным. Но если при стационарных усло- виях работы милливольтметра сопротивление рамки R р мож- но считать практически постоянным, то сопротивление ТЭП R 1 колеблется при изменении измеряемой температуры. Со- противление соединительных проводов R сп при изменении 164 температуры окружающей среды также приводит к появле- нию погрешности измерения. Схема включения соединительных проводов показана на рис. 6.22. Рис. 6.22. Схема включения соединительных проводов: 1 — ТЭП; 2 — термоэлектродные провода; 3 — соединительные провода; 4 — прибор Точность измерения температуры милливольтметром тем выше, чем большая часть сопротивления приходится на рамку и чем меньшие сопротивления имеют соединитель- ные провода 3 и термоэлектродные провода 2 ТЭП. Для снижения указанной погрешности увеличивают сопро- тивление цепи последовательным подключением к рамке дополнительного сопротивления R д в виде катушки из ман- ганиновой проволоки (с практически неизменяющимся со- противлением при изменении температуры). Практически сопротивление R д в милливольтметрах колеблется от 100 до 500 Ом. Для получения правильных показаний действи- тельное значение должно соответствовать расчетному. В приборах отечественного производства расчетная вели- чина R вн равна одному из следующих значений: 0,6; 1,6; 5; 15 и 25 Ом. R вн = R Т + R сп (6.15) Под это расчетное сопротивление, указанное на шкале милливольтметра, подгоняется при монтаже фактическое сопротивление ТЭП (R 1 ) и сопротивление соединительных проводов. 165 Чтобы исключить погрешности, связанные с изменением сопротивления соединительных проводов и ТЭП при эксплу- атации, температура соединительных линий должна быть близкой к 200 °С, а глубина погружения ТЭП должна соот- ветствовать градуировочной. Если шкала милливольтметра выражена только в милливольтах, то к нему можно подклю- чить термопару любой градуировки. Определив по шкале милливольтметра напряжение и зная величины R д и R вн , можно найти величины ТЭДС из уравнения E T = U m (R д + R нп ) R д , (6.16) где U m — напряжение, измеряемой милливольтметром. Зная Е Т , по градуировочным таблицам для применяемо- го ТЭП определяют температуру. Если температура свобод- ных концов ТЭП в процессе измерения изменяется в широ- ких пределах, применяют метод компенсации температу- ры холостых спаев, используя для этого мостовую схему типа КТ-54 (рис. 6.23). Рис. 6.23. Электрическая схема автоматической компенсации температуры холодных спаев: 1 — компенсационный мост; 2 — ТЭП; 3 — милливольтметр; 4 — источник питания 166 ТЭП включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R 1 , R 2 и R 3 ) выполнены из манганина, а четвертое (R 4 ) — медное. Схема питается от стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление R д служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, до нужного значения. При постоянном напряжении источника питания (4 В), из- меняя сопротивление R д , можно настраивать мост для ра- боты с ТЭП различных градуировок. От ТЭП до компенса- ционного моста прокладываются термоэлектродные про- вода, от моста до измерительного прибора — медные. При градуировочной температуре холодных спаев ТЭП мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста сd равна нулю. С изменением температуры холодных спаев одновременно изменяется сопротивление R 4 , что нарушает равновесие моста, и на вершинах моста cd воз- никает разность потенциалов. Вследствие изменения темпе- ратуры холодных спаев ТЭП одновременно изменяется его ТЭДС на величину указанной разности потенциалов. Так как изменение ТЭДС равно разности потенциалов и имеет про- тивоположное направление, происходит автоматическая компенсация. Следовательно, компенсация может быть до- стигнута при условии равенства температур сопротивления R 4 и холодных спаев ТЭП, что достигается размещением мо- ста рядом с холодными спаями ТЭП. При измерении температуры в нескольких местах од- ного и того же объекта применяют милливольтметры с многоточечными переключателями. Потенциометры. Принцип действия потенциометров основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС с известной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов создается в потенциометре посторонним ис- точником энергии. Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 6.24. 167 Рис. 6.24. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи В этой схеме имеются три электрические цепи. В цепь источника тока (компенсационную) входит источник тока Б, регулировочное сопротивление R в (реостат), постоянное сопротивление R нэ и сопротивление реохорда R р с переме- щающимся вдоль него контактом D. В цепь нормального элемента входит нормальный элемент НЭ, сопротивление R нэ и нулевой прибор НП. В цепь ТЭП входят ТЭП, нуле- вой прибор НП и часть измерительного сопротивления R р Нормальный элемент, предназначенный для контроля по- стоянства разности потенциалов между конечными точка- ми реохорда, развивает постоянную во времени ЭДС. Обычно применяют ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона, развивающий при 20 °С ЭДС 1,01830 В. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство разности потенциалов на концах реохорда. Для этой цели переключатель П переводят на контакт К, включая НП в цепь НЭ и одновременно раз- рывая цепь ТЭП. 168 1 Нормальный элемент присоединяется к концам сопро- тивления R нэ так, что его ЭДС оказывается направленной навстречу ЭДС источника тока Б. Регулируя силу тока в компенсационной цепи реостатом R в , добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления равна ЭДС НЭ. При этом сила тока в цепи нормального элемента равна нулю и стрелка НП устанав- ливается на нуле шкалы. В этом случае сила тока в ком- пенсационной цепи I E нэ R нэ (6.17) Для измерения ТЭДС ТЭП переключатель П переводят на контакт, подключая тем самым ТЭП последовательно с НП к измерительному сопротивлению в точке в и сколь- зящему контакту. Термо-ЭДС ТЭП тогда будет действо- вать в сторону, противоположную ЭДС источника тока Б. Перемещая контакт D, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точками в и D измерительного сопротивления равна ТЭДС термопары, при этом сила тока в цепи ТЭП равна нулю, тогда Е Т i R 6 D (6.18) Так как Е нэ и R нэ постоянны, определение ТЭДС ТЭП сво- дится к определению участка измерительного сопротивления R 6D . Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществ- ляется в отсутствие тока в цепи термоэлектропреобразовате- ля, поэтому сопротивление цепи ТЭП, соединительных про- водов, НП, а следовательно, и его зависимость от температу- ры не оказывают влияния на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преиму- ществ компенсационного метода измерения. Промышлен- ность выпускает большое количество переносных техниче- ских и лабораторных потенциометров различных типов. В зависимости от назначения и точности показаний они 169 подразделяются на три класса: 1, 2 и 3. Потенциометры 1- го и 2-го классов снабжены свидетельством с указанием их погрешностей и используются в качестве образцовых. Потенциометры 3-го класса используются как рабочие. В автоматических потенциометрах в отличие от рас- смотренных выше взамен стрелочного нулевого прибора установлены электронные нуль-индикаторы. Автоматиче- ские электронные потенциометры работают в комплекте с одним из стандартных ТЭП. Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают авто- матическое введение поправки на температуру свободных концов ТЭП. Поэтому их выполняют в виде неуравнове- шенного моста. Все сопротивления измерительной схемы (рис. 6.25), кроме R к , выполнены из манганина, сопротивление R к — из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в которую включен реохорд R р , и вспомо- гательной, состоящей из двух сопротивлений, R нэ и R к Наличие вспомогательной ветви позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев термопа- ры. Сопротивление R к и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе со- противление R к расположено недалеко от места подключе- ния термопар. 170 Рис. 6.25. Принципиальная схема электронного автоматического потенциометра Измеряемая ТЭДС ТЭП компенсируется падением напря- жения на сопротивлении R р , зависящего от положения движ- ка реохорда, и сопротивлениях R н и R к E т = I 2 R р + I 2 R н − I 1 R к . (6.19) Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьшение ТЭДС ТЭП на величину E Ті . При этом падение напряжения на сопротивлении R к одновременно возрастает, тогда E T − E T1 = I 2 R p + I 2 R H − I 1 (R к + ∆R к ). (6.20) Чтобы движок реохорда сохранил свое положение и по- тенциометр показывал измеряемую температуру, необхо- димо обеспечить равенство E т1 = I 1 ∆R к (6.21) Если ТЭДС ТЭП E т не равна падению напряжения U bd , то напряжение небаланса E т − U bd подается на вход преоб- разовательного каскада. 171 В преобразовательном каскаде постоянное напряжение небаланса преобразуется в переменное, которое затем уси- ливается до значения, достаточного для вращения реверсив- ного двигателя РД, который передвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измерительной схемы. Одно- временно РД перемещает показывающую стрелку и записы- вающее перо. При равновесии измерительной схемы, когда E т = U bd , реверсивный двигатель не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается. Чтобы установить силу рабочего тока I 1 , переключа- тель П, нормально находящийся в положении И (измере- ние), нажатием кнопки механизма установки рабочего тока переводится в положение К (контроль). При этом одно- временно устанавливается кинематическая связь реверсив- ного двигателя с движком реостата R б и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента. Если падение напряжения I 1 R нэ не равно ЭДС нормаль- ного элемента, то электронный усилитель, как при измере- нии ТЭДС ТЭП, получает сигнал, равный разности между ЭДС нормального элемента и падением напряжения на со- противление R нэ . Реверсивный двигатель, вращаясь по ча- совой стрелке или против нее, в зависимости от знака не- баланса, передвигает движки реостата R в , изменяя величи- ну питающего напряжения. В момент равновесия, когда І 1 = E нэ / R нэ , на электронный усилитель сигнал не подается, и реверсивный двигатель останавливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение силы ра- бочего тока I r В электронных потенциометрах для усиления напряже- ния небаланса применяют электронные усилители пере- менного тока. Приборостроительные заводы нашей страны выпускают много разновидностей электронных автоматических по- тенциометров. 172 § 6.5. Пирометры излучения Пирометры излучения основаны на измерении лучистой энергии, испускаемой нагретым телом. Наибольшее рас- пространение пирометры излучения получили в металлур- гии, однако и в химической промышленности они находят некоторое применение (печи, топки котельных установок и др.). Пирометры излучения по сравнению с другими прибо- рами измерения температуры имеют следующие преиму- щества: а) измерение осуществляется бесконтактным способом, следовательно, отсутствует искажение температурно- го поля, вызванное введением датчика прибора в из- меряемую среду; б) верхний предел измерения температуры теоретически не ограничен; в) возможность измерения высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Тепловое излучение представляет собой процесс рас- пространения внутренней энергии излучаемого тела элек- тромагнитными волнами. При поглощении электромаг- нитных волн от излучающего тела другими телами элек- тромагнитные волны вновь превращаются в тепловую энергию. Тела излучают электромагнитные волны широко- го диапазона длин от = 0 до = ∞. Большинство твердых и жидких тел обладают непрерыв- ным спектром излучения, т. е. излучают волны всех длин. Другие тела (чистые металлы и газы) обладают селективным спектром излучения, т. е. излучают волны только на опреде- ленных участках спектра. Участок начиная от волн длиной от 0,4 до 0,76 мкм соответствует видимому спектру. Каждая длина волны видимого спектра соответствует определенному цвету. Волны длиной от 0,4 до 0,44 мкм соответствуют 173 темно-фиолетовому цвету; от 0,44 до 0,49 мкм — сине- голубому; от 0,49 до 0,59 мкм — темно- и светло-зеленому; от 0,58 до 0,63 мкм — желто-оранжевому; от 0,63 до 0,76 мкм — светло- и темно-красному. Выделение опре- деленных цветов в известной мере условно, так как в сплошном видимом спектре переход от одного цвета к дру- гому происходит непрерывно. Рис. 6.26. Положение чувствительного элемента измерителя в трубе Волны длиной = 0,76 мкм относятся к невидимым ин- фракрасным тепловым лучам. По мере повышения темпе- ратуры нагретого тела и изменения его цвета быстро воз- растает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т. е. излучение определенной длины волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное) излучение. Указанные свойства нагретых тел используют для измерения их температуры. В соответствии с этими свойствами пирометры излучения делятся на квазимоно- хроматические, спектрального отношения и полного излу- чения. 174 Рис. 6.27. Пирометр «Кельвин Компакт 1000» Профессиональный пирометр «Кельвин Компакт 1000» предназначен для контроля теплового режима оборудования (электрорас- пределительных устройств, промышленных печей, двигателей, редукторов, букс железно- дорожных вагонов и т. п.), а также для изме- рения температуры в технологических процес- сах металлургии, машиностроения, нефтехи- мии в диапазоне от −50 до +1 000 °С с точно- стью 1 % и сертифицирован для использова- ния при температуре окружающей среды от −40 до +50 °С. Прибор имеет одно из лучших в своем классе соотношений площади пятна измерения к расстоянию до объек- та, равное 1:100; для получения наиболее достоверных результатов имеется ручная регулировка коэффициента излучения материалов от 0,01 до 1,00. Для точного наведения имеется встроенный лазерный целеуказатель, а для контроля теплового режима имеется функция за- дания максимальной и минимальной температур, при превышении которых происходит звуковое и визуальное оповещение. Корпус пи- рометра изготовлен из металла и имеет эргономичные прорезиненные накладки. Питание прибора «Кельвин Компакт 1000» осуществляется от двух батарей типа «АА», для экономии заряда и комфортного отоб- ражения результатов предусмотрена автоматическая регулировка яр- кости дисплея. Квазимонохроматические пирометры. Действие ква- зимонохроматических (оптических) пирометров основано на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного и тела, температуру которого намеряют. В качестве эталонного тела обычно используют нить лам- пы накаливания, яркость излучения которой регулируется. Наиболее распространенным представителем этой груп- пы является монохроматический оптический пирометр с исчезающей нитью, принципиальная схема которого при- ведена на рис. 6.28. 175 Рис.6.28. Схема квазимонохроматического (оптического) пирометра Пирометр представляет собой телескопическую трубку с линзой 1 объектива и линзой 4 окуляра. Внутри телеско- пической трубки в фокусе линзы объектива находится пи- рометрическая лампа накаливания 3 с подковообразной нитью. Лампа питается от аккумулятора 7 через реостат 8. В цепь питания пирометрической лампы включен милли- вольтметр 6, конструктивно объединенный с трубкой теле- скопа. Шкала милливольтметра градуирована в градусах температуры. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным светофильтром 5, пропускающим только лучи определенной длины волны. В объективе находится серый поглощающий светофильтр 2, служащий для расширения пределов измерения. При подготовке оптической системы к измерению трубки наводят на тело и передвигают объектив до получения четко- го, ясного изображения тела и нити лампы (в виде резкой черной подковки). Включив источник тока, реостатом регу- лируют яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не со- льется с освещенным телом. В этот момент по шкале милли- вольтметра отсчитывают температуру тела. 176 Приборостроительная промышленность выпускает пе- реносные оптические пирометры с исчезающей нитью в различном конструктивном оформлении для темпера- тур от восьмисот до нескольких тысяч градусов. Пиромет- ры работают с эффективной длиной волны , равной 0,65 или 0,66 мкм. Фотоэлектрические пирометры. В этих пирометрах чаще всего используют фотоэлементы с внешним фотоэф- фектом, в которых возникает электрический ток (фототок), пропорциональный падающему на него световому потоку или, точнее, пропорциональный энергии излучения волн определенного участка спектра. Фототок, создаваемый фотоэлементами, может непо- средственно служить мерой температуры измеряемого те- ла. Такие приборы не отличаются высокой точностью. Бо- лее совершенны приборы, фотоэлемент которых использу- ется в нулевом режиме как устройство для сравнения двух источников излучения: измеряемого тела и регулируемого источника света. В фотоэлектрических пирометрах типа ФЭП (рис. 6.29) изображение измеряемого раскаленного тела при помощи объектива 1 и диафрагмы 2 создается в плоскости одного из отверстий диафрагмы 3, расположенной перед фотоэле- ментом 5. Через другое отверстие диафрагмы 3 фотоэле- мент освещается регулируемым источником света — элек- трической лампой 6. Перед фотоэлементом расположен красный светофильтр 4. Фотоэлемент поочередно с частотой 50 Гц освещается то измеряемым телом, то лампой. Поочередность освеще- ния создается колеблющейся заслонкой 8 модулятора свта 7 вибрационного типа. Оба световых потока, попадающие на фотоэлемент, изменяются в противофазе по синусои- дальному закону, что достигается специальным профили- рованием заслонки и отверстий. 177 На выходе фотоэлемента возникает фототок, величина которого определяется освещенностью от тела и лампы. При неравенстве этих освещенностей в цепи фотоэлемента возникает переменная фототока, совпадающая по фазе ли- бо с фототоком от тела, либо с фототоком от лампы. Пере- менная составляющая фототока усиливается электронным усилителем 9, имеющим фазочувствительную схему. Выходной сигнал усилителя управляет цепью питания лампы 6. Сила тока накала лампы будет изменяться до тех пор, пока освещенности от измеряемого тела и лампы не уравняются и переменная составляющая фототока не станет равной нулю. Тем самым сила тока в лампе окажется одно- значно связанной с яркостной температурой измеряемого тела. Сила тока, питающего лампу, измеряется быстродей- ствующим автоматическим потенциометром по величине па- дения напряжения на сопротивлении R вых в цепи лампы. По- тенциометр градуируют в градусах яркостной температуры. При измерениях температуры выше допустимой для лам- пы 6 (1 400–1 500 °С) вводится ослабляющий светофильтр, что позволяет довести предел измерения до 4 000 °С. Рис. 6.29. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП 178 Пирометры типа ФЭП выпускаются одношкальными для измерений температур от 600 до 2 000 °С или двух- шкальными для измерения более высоких температур. Пирометры спектрального отношения. В пирометрах спектрального отношения (цветовых), применяемых для промышленных измерений, определяется отношение СЭЯ реального тела в лучах с двумя заранее выбранными зна- чениями длины волны. Это отношение для каждой темпе- ратуры различно, но вполне однозначно. В большинстве случаев для реальных тел кривые Е = f ( ) при различных температурах совершенно подоб- ны кривым для абсолютно черного тела, поэтому практи- чески не требуется вводить поправки на неполноту излу- чения, что является основным преимуществом цветовых пирометров. Принципиальная схема цветового пирометра с фотоэлементом показана на рис. 6.30. Измеряемое излучение через защитное стекло 1 и объ- ектив попадает на фотоэлемент 4. Между объективом и фотоэлементом установлен обтюратор 3, вращаемый синхронным двигателем. Обтюратор выполнен в виде дис- ка с двумя отверстиями, одно из которых закрыто красным светофильтром К, другое — синим С. При вращении об- тюратора на фотоэлемент попеременно попадают излуче- ния через красный или синий светофильтр. Спектральная характеристика фотоэлемента зависит от температуры, по- этому фотоэлемент в пирометре заключен в термостат с автоматическим регулированием. Электрический ток, напряжение которого пропорцио- нально соответствующим интенсивностям излучения, предварительно усиливается электронным усилителем 5 и преобразуется специальным электронным логарифми- ческим устройством 6 в постоянный ток, величина которо- го зависит от отношения І/Т. Выходной ток логарифми- рующего устройства измеряется указывающим или 179 регистрирующим милливольтметром 7. Пределы измере- ния пирометра — от 1 400 до 2 500 °С; основная погреш- ность при измерении температуры физических тел не пре- вышает ±1 % от верхнего предела измерений. Рис. 6.30. Схема пирометра спектрального отношения |