Технические измерения и приборы. Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи

• Название: Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи
• Дата: 08.02.2022
• Размер: 4.5 Mb.
• Имя файла: Технические измерения и приборы.doc
• Тип: Документы; #354979
• страница: 2 из 13

Вопрос № 1.4.Принципы измерение температур. Температурные шкалы. Термометры

расширения и манометрические термометры.

Температура – параметр теплового состояния, характеризующийся средней кинетической энергией поступательного движения молекул.

В вакууме температура определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающих тело.

Тепло переходит от более нагретого к менее нагретому – принцип работы термометра.

Температурная шкала – ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми температурами кипения и плавления химически чистых веществ.

Первые термометры появились в 16 веке (Галилей) и были водяными.

Ньютон сделал свою 12-ти градусную шкалу.

Реомюр – шкала 80 делений (т.к он заполнял термометр спиртом, а спирт расширяется на 0,0008 от температуры плавления льда, до кипения воды).

1847 г. – Фаренгейт – используя охлаждающие смеси, имитировал самую низкую температуру и принял ее за 0; 2 точка – температура таяния льда; 100(98)^оF – температура здорового человека; 212F – точка кипения воды.

Цельсий сначала принял за ноль температуру кипения воды, а за 100 – температуру плавления льда, а затем перевернул.

Переход от ^оC к F: t ^оC = 5/9*(t ^оF – 32)

Делиль: разделил шкалу на 150 делений (от таяния льда до кипения воды)

Недостаток этих шкал: показания зависят от свойств вещества, которым заполняется термометр.

Впервые термодинамическая шкала была предложена Кельвином в 1848г.

В Основу был положен термодинамический цикл Карно идеальной тепловой машины, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
bc и da – адиабаты.

ab и cd – изотермы.

- работа.
Карно доказал, что КПД цикла не зависит от свойств рабочего вещества и определяется температурами нагревателя и холодильника.





и т.д.

Впервые такая шкала была осуществлена в 100-градусном интервале (0 – таяние, 100 – кипение)

- интервал температур.

Возможность осуществления такой шкалы появилась с открытием газовых законов, на основе которых были созданы газовые термометры.

закон Шарля

- коэффициент температурного расширения.

закон Гей-Люссака.

Рассмотрим закон Шарля:



=0 ; t = -1/β



Термодинамическая шкала неудобна при воспроизведении, поэтому имеются ее усовершенствования.

МТШ27 – международная температурная шкала 1927г., построена на шести реперных (постоянных) точках, значения температур которых определялись в разных странах газовыми термометрами. В промежутках между точками шкалы температуры воспроизводились с помощью эталонов (платиновый преобразователь температуры, платинородий-платиновая термопара, пирометр излучения) и интерполяционных формул.

МПШ-48 (международная практическая температурная шкала) – вместо температуры плавления льда ввели тройную точку воды, которая лежит на 0,01С выше точки плавления льда.

МПТШ-68 – охватывала больший температурный интервал от 13,81 до 6300К (13,81 – тройная точка равновесного водорода, 54К – тройная точка кислорода, и т.д.).

МТШ-90 – тот же интервал, но другие, более точные реперы.

Термометры расширения.

Бывают:

1. 
   Жидкостные стеклянные термометры (ЖСТ).
   
2. 
   Дилатометрические термометры (ДТ).
   

Принцип действия ЖСТ основан на различии коэффициентов теплового объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки, в которой она находится.

- изменение объема.

- коэффициент объемного расширения.

- начальный объем при 0С.

- видимый коэффициент расширения жидкости в стекле.

ЖСТ могут работать в интервале температур от –200 до 1200С.

Для их изготовления используют специальные термометрические стекла, подвергаемые старению для снижения . Различают термометры со ртутным заполнением и органическими жидкостями.

Ртуть наиболее предпочтительна:

• 
  имеет стабильный
  
• 
  не смачивает стекло (не образуется миниск)
  
• 
  она электропроводна и на ее основе созданы электроконтактные термометры.
  

Температура затвердевания ртути – -38,87С, температура кипения – 356,7С. Для поднятия верхней точки пространство над ртутью заполняют газом под давлением, для расширения вниз используют амальгама – смесь ртути и металла.

Ртутные термометры: максимальные (столбик не опускается сам), минимальные, глубинные.

Термометры с органическими наполнителями используют для измерения отрицательных температур Этиловый спирт – до -100С; пентан - до -190С; толуол - до -90С. Но все эти жидкости имеют неравномерный коэффициент объемного расширения (неравномерная шкала) и смачивают стекло.

Конструктивно ЖСТ делятся на:

1. 
   палочные
   
2. 
   с вложенной шкалой
   
3. 
   с наружной шкалой
   

Палочные состоят из толстостенного капилляра (наружный диаметр 6 8мм, внутренний – 0,1 0,15мм). Шкала нанесена на наружной стенке капилляра. Используются в качестве образцовых.

С вложенной шкалой – технические термометры. - тонкостенный капилляр, прикрепленный к пластинке молочного стекла со шкалой, и все в стеклянном футляре. Бывают максимальные и минимальные термометры на их основе.

С наружной шкалой – тонкостенный капилляр на пластинке (бытовые термометры).
Дилатометрические термометры.

Принцип действия основан на различии тепловых коэффициентов линейного расширения двух металлов. Один – с очень высоким, другой – с маленьким коэффициентом линейного расширения.




чтобы уменьшить динамические погрешности трубка обычно бывает из латуни, меди, алюминия (высокий α). Стержень выполняется из инвара .



К этой же группе относятся и биметаллические термометры (2 металла жестко соединены).



Изгибание в сторону с меньшим .

Манометрические термометры.

Принцип действия основан на зависимости давления среды, находящейся в замкнутом объеме, от температуры этой среды. В зависимости от заполняющей среды: газовые, жидкостные, конденсационные.




1 – термобаллон

2 – капилляр

3 – манометр
Термобаллон обычно выполняется в виде трубки из нержавеющей стали, диаметром 20мм и длиной 400 500мм. Капилляр имеет внутренний диаметр 0,2 0,5мм и длину 0,6…60м, и выполняется из меди или из стали. Для защиты капилляр помещают внутри гибкого металлического рукава.

Газовые манометры заполняют газами (азот, гелий). Давление газа, в зависимости от температуры, характеризуется законом Шарля.



- начальное давление (при 0С)

-коэффициент теплового объемного расширения газов

При 0С создают начальное давление:

Приращение давления:

Эти термометры могут работать от –160 до 600С.

Обычно для заполнения используют азот, реже аргон.

Погрешность определяется изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и

капилляр:

,

где - изменение температуры манометра;

- изменение температуры капилляра;

, , - объемы баллона, манометра, капилляра.

Класс точности 1 – 1.5.
Жидкостные термометры заполняются жидкостью. Работают в интервале температур от –150 до 300С.

Внутри системы создается начальное давление 1 – 3МПа, чтобы поднять точку кипения жидкости и расширить диапазон.



- коэффициент объемного расширения жидкости.

- коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

В качестве заполняющих жидкостей используется полиметилсилоксановая жидкость(ПМС) и ртуть (раньше использовали).

Погрешности те же, вызванные изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и капилляр. Для их уменьшения внутрь капилляра помещают инварную проволоку, которая не расширяется при нагревании.
Конденсационные термометры.

В них термобаллон лишь частично заполнен низкокипящей жидкостью, а сверху находится насыщенный пар этой жидкости. П ри изменении температуры изменяется давление насыщенного пара. Это изменение подается в манометр.

Достоинство: показания не зависят от температуры окружающей среды, т.к. давление насыщенного пара над жидкостью определяется лишь температурой этой жидкости, находящейся в баллоне.

Диапазон измерений от –60 до 300С.

В качестве рабочей жидкости используют этиловый спирт, ацетон.

Вопрос № 1.5. Термопреобразователи сопротивления.

Принцип действия основан на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

В общем случае

R₀ – начальное сопротивление при 0С.

- температурный коэффициент сопротивления

У проводников >0, у полупроводников, как правило, <0.

У проводников, при изменении температуры на 10С, сопротивление меняется на 4%. Это связано с увеличением хаотического движения.



- т.е. можно считать, что он практически не меняет сопротивления от температуры.

Промышленные термометры изготавливают из платины, меди и никеля.

Платина – наиболее отвечает всем требованиям.

Она жаростойка (-200  1100С).

Статическая характеристика имеет вид:

- для положительной температуры.

- для отрицательной температуры.

Параметры a, b, c определяют по реперным точкам.

На основе платиновых термометров изготавливают образцовые (эталонные).

Медь – дешевая, легко получить в чистом виде, но легко окисляется, поэтому диапазон температур –

200  200С , зато можно пользоваться линейной формулой: .

У меди высокий - положительное качество.

Недостаток – низкое удельное сопротивление, т.к.

Но медь дешевая, поэтому получила распространение.

Никель – он имеет высокий α. Но его трудно получить в чистом виде. Наличие примесей искажает

характеристики.

Промышленные термопреобразователи сопротивления.

Тип термометра	Начальное сопротивление, Ом	Обозначение	Диапазон температур, С
ТСП – Термометры Сопротивления Платиновые	10 (46) 50 100	10П (Гр20) (Гр21) 50П 100П (Гр22)	-200  1000 -260  1000 -260  1000 -260  1000
ТСМ – Термометры Сопротивления Медные	10 50 (53) 100	10М 50М (Гр23) 100М (Гр24)	-50  200 -50  200 -50  180 -200  200

В скобках – старая градуировка.

Бывают 5 классов точности.

В ТСП используется платиновая проволока диаметром 0,07мм внутри металлического каркаса.

В ТСМ медная проволока намотана на катушку бифилярно (провод сложен пополам, чтобы токи шли

навстречу друг другу). Катушки диаметром 5мм и длиной 20мм.
По конструкции ТС бывают одинарные, двойные, многозонные.

По инерционности:

малой инерционности (постоянная времени < 1 мин);

средней инерционности (постоянная времени = 1 мин);

большой инерционности (постоянная времени > 1 мин).

П риборы, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления.

1. 
   Неравновесные мосты.
   
2. 
   Логометры.
   
3. 
   Равновесные мосты.
   

Неравновесные мосты.

Достоинство: простота.

Недостатки: нелинейная статическая характеристика, выходной сигнал зависит от питания.

Rл – сопротивление линии

Rэ – эталонное сопротивление (в рабочем режиме закорочено)

Перемычку переносят на Rt, чтобы проконтролировать стабильность источника питания.

Rэ равно значению термометра в середине шкалы (там красная черта). Есть материал манганин, не меняющий α при изменении температуры. Он используется для изготовления плеч моста и Rэ.
Логометры.

Л огометр – прибор магнитоэлектрической системы, подвижная часть которого выполнена в виде двух жестко скрепленных между собой под некоторым углом рамок, находящихся в поле постоянного

магнита.
U_ПИТ = 4В

При протекании токов по рамкам возникают вращающие

моменты, направленные навстречу друг другу.



В – магнитные индукции в зазорах

С –коэффициенты, зависящие от конструкции рамок и

учитывающие краевые эффекты магнитного поля.

Вся система остановится, когда М₁ = М₂



= f(α) - функция угла поворота, где

Уравновешивание происходит из-за переменной индукции в зазоре.

- угол поворота стрелки

= f(α)

Т.о. логометры нечувствительны к напряжению питания. В систему включают слабую пружину, чтобы при отключении питания стрелка возвращалась в исходное состояние.

Как правило, сам логометр включают в диагональ неравновесного моста, для того, чтобы можно было менять пределы измерения и для введения поправки, исключающей погрешности показаний при температурном изменении сопротивления рамок.

Класс точности 1 – 1,5.


Вопрос № 1.6. Равновесные мосты.




В них одно из плеч выполняют в виде переменного сопротивления, которое

называется реохордом.

НИ – нуль-индикатор (гальванометр) – регистрирует момент равновесия.

R_Л – сопротивление линии.

- условие равновесия.

- нелинейная характеристика.

Следовательно, реохорд нужно включать в смежном плече с термометром.



Здесь - это недостаток, т.к. может возникнуть погрешность из-за

изменения сопротивления линии (из-за температуры). Для устранения влияния изменения сопротивления линии на показания используют

трехпроводную схему подключения термометра.



Если R₁ = R₃, то R₂ = Rt

В условие равновесия не входит Е, следовательно, равновесные мосты нечувствительны к изменению

напряжения питания.

Силу тока ограничивают 4-8 мА, чтобы не было самонагрева термометра.
С хема автоматического моста.

Все сопротивления из манганина (кроме Rt).

R_Р – сопротивление реохорда

R_Э – эквивалентное сопротивление реохорда (100 Ом)

R_ПР – приведенное сопротивление

R_Ш –сопротивление шунта

Rн – нагрузка – ограничивает силу тока, проходящего через термометр.

R – подбирается в зависимости от пределов измерения.

Rп – устанавливает предел измерения.




В равновесных мостах роль НИ выполняет усилитель, на выходе которого – РД.

РД – машина с короткозамкнутым ротором. Одна обмотка сетевая, другая – управляющая.
Фу = Ф_maxsinωτ

Фc = Ф_maxcosωτ



tgα = Фу/ Фc = tgωτ ;

α = ωτ - угол поворота пропорционален времени.
Все автоматические равновесные мосты работают по схеме астатического уравновешивания.

Мост может питаться постоянным или переменным током. Узел реохорда выполнен из трех параллельно соединенных нормированных сопротивлений R_Э = 100Ом. R_ПР зависит от пределов измерений.

Начальное сопротивление R_Н предназначено для ограничения силы тока, проходящего через терморезистор. Чтобы не было самонагрева термометра I_ТЕРМ < 8мА.

Сопротивлением R_П устанавливают предел.

R₁ и R₂ для исключения влияния R_Л.

Современные мосты могут быть показывающие, показывающие и записывающие (на перфокартах) и диаграммы, которые выполняются синхронным двигателем, вращающим ленту или диск.

Класс точности 0,25 – 0,1.

Вопрос № 1.7. Термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения этих проводников имеют различную температуру - эффект Томпсона.

Обратный эффект Пельтье: Если пропускать электрический ток через место соединения проводников, то в зависимости от направления тока это место может нагреваться или охлаждаться.

Термопара.




Место соединения – спай.



при






Д ля измерения этой ЭДС термопару необходимо разорвать. Свободные концы термопары соединены проводником.


при





Включение третьего проводника в цепь термопары не изменяет ее ЭДС, если точки подключения этого

проводника имеют одинаковые температуры.

Пусть температура свободных концов изменится и станет , тогда





- поправка на температуру свободных концов термопары.

Для стандартных термопар существуют градуировочные таблицы. По ним выбирают поправки.

Если , то поправка со знаком +

Если , то поправка со знаком –.

Чтобы ввести поправку, нужно знать температуру свободных концов.

Для удлинения термопары используют термоэлектродные провода.

Они должны быть термоподобны материалу термопары. Это значит, что провода, если их соединить,

то в интервале 100С они должны развивать такую же ЭДС, как и термопара.

ТПП (платинородий-платиновая термопара) – термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

сплава.

ТПР (платинородий-платинородиевая) – не требует термоэлектродных проводов. Можно соединять любыми проводами. Не требует внесения поправки на температуру свободных концов.

ТХА (хромель-алюмелевая) – термоэлектродные провода из меди и константана.

ТХК (хромель-копелевая) – наиболее чувствительная термопара. Развивает самую большую ЭДС

на 1^о. Термоэлектродные провода из того же самого материала (хромель-копель)

ТВР (вольфрамрений-вольфрамрениевая) - термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

сплава.

ТМК (медь-копелевая).

Стандартные термоэлектрические преобразователи.

Тип	Обозна-чение	Материалы электродов		Диапазон температур, С
		Положительный	Отрицательный
ТПП	ПП (S)	Платинородий (сплав 90% платины, 10% родия)	Платина	0 1300 (1600)
ТПР	ПР (В)	Платинородий (70% платины, 30% родия)	Платинородий (94% платины, 6% родия)	300  1600 (1800)
ТХА	ХА (К)	Хромель (90,5% никеля, 9,5% хрома)	Алюмель (94,5% никеля, 5,5% алюминия, марганец, кремний, кобальт)	-200  1000 (1300)
ТХК	ХК (L)	Хромель	Копель (56,5% ,медь, 43,5% никель)	-50  600 (800)
ТВР	ВР (А)	Вольфрам-рений (95% вольфрама, 5% рения	Вольфрам-рений (80% вольфрама, 20% рения)	0  2200 (2500)
ТМК	МК (М)	Медь	Копель	-200  100

Температуры в скобках – при кратковременном использовании.

Приборы, работающие в комплекте с термоэлектрическими преобразователями.

К ним относятся пирометрические милливольтметры и потенциометры.
Пирометрический милливольтметр.



- показания прибора; - внутреннее сопротивление милливольтметра;

- сопротивление термопары; - сопротивление линии.
П оказания милливольтметра зависят от проводов, поэтому сопротивление внешней линии всегда нормируется и для уменьшения погрешностей от изменения R_ВНЕШ берут R_М много больше.

R_М = 200 – 300 Ом (при R_ВНЕШ = 5Ом).

Для автоматического введения поправки на температуру свободных концов термопары, в цепь последовательно включается неравновесный мост.

Сопротивления R₁, R₂, R₃ – постоянные и намотаны из манганина, R_М – медное, находится там же где и свободные концы термопары.

С помощью балластного сопротивления (R_Б) меняют напряжение питания моста.

Мост находится в равновесии при 0С. Если температура повышается, ЭДС термопары уменьшается, а мостик дает такую же поправку. Добавляется выходной сигнал моста, равный поправке.

R_Б – балластное сопротивление – его меняют для каждой

термопары.
Вопрос № 1.8. Принципиальные схемы потенциометров.

Он основан на компенсационном (нулевом) методе. Метод уравновешивающего преобразования.




R_Р – реохорд

НИ – нуль индикатор

Е_Х – измеряемая ЭДС.

Принцип работы основан на уравновешивании измеряемой ЭДС Е_Х известной разностью потенциалов на реохорде.

При равновесии I₂=0.







(условие работы потенциометра)

В автоматическом потенциометре в качестве источника питания используется стабилизированный источник питания (ИПС).

В переносных потенциометрах для стабилизации рабочего тока используется дополнительная цепь, соединяющая нормальный элемент – источник ЭДС с очень высокой стабильностью.

E _НЭ = 1,0183В.
П – переключатель (К – контроль, И – измерение).

R_НЭ – намотано с высокой точностью из манганина.



- условие равновесия

Движок реостата перемещается до тех пор, пока не наступит положение равновесия.

R_Б – предназначено для предохранения нормального элемента от разрушения.

Схема автоматического потенциометра:

И ПС – источник стабилизированного питания

ПК – преобразовательный каскад
Принцип действия основан на уравновешивании измеряемой ЭДС разностью потенциалов на вершинах моста

Цепь содержит рабочую ветвь, по которой протекает ток I₁ и вспомогательную с I₂.

I₁ и I₂ нормализованы: I₁ = 3мА, I₂ = 2мА.

R_Н – для установки нуля.

R_П – устанавливает номинальное значение силы тока.

Все приведенное сопротивление будет равно измеряемой ЭДС, деленной на 3.

Вспомогательная ветвь нужна для введения автоматической поправки на температуру свободных концов термопары.

ПК – преобразует постоянный ток в переменный с частотой 50Гц.

Потенциометры могут быть показывающие, показывающие и записывающие и т.д.

Класс точности 0,25 – 0,1%

Вопрос № 1.9. Пирометры излучения.

Принцип действия основан на измерении лучистой энергии, испускаемой нагретым телом. Это бесконтактные преобразователи.

Пирометры подразделяются на:

1. 
   Пирометры полного излучения (радиационные).
   
2. 
   Пирометры частичного излучения (оптические).
   
3. 
   Цветовые пирометры.
   

В ажнейшей характеристикой излучения является спектральная (распределение энергии излучения по различным участкам спектра).

– спектральная плотность яркости. Вся энергия излучения – плошадь под кривой.

Согласно закону Кирхгофа отношение спектральной плотности яркости, температуры излучателя к его коэффициенту поглощения не зависит от рода излучателя.



- плотность поглощения (коэффициент поглощения)

- спектральная плотность яркости такого излучателя, у которого коэффициент поглощения во всем спектре и при всех температурах = 1. Такое тело называется абсолютно черным (самое близкое к нему – Солнце).

Выражение для функции было установлено Планком в 1900 г.



Но за 4 года до Планка было уравнение Вина:



Уравнениями Планка можно пользоваться до 4000 К.

Но на измеренном интервале можно пользоваться уравнениями Вина.

Положение максимума кривой спектральной плотности яркости определим взяв первую производную и приравняв ее к нулю.


Полная энергия яркости определяется площадью под кривой спектральной плотности яркости.

Стефан и Больцман доказали, что



- постоянный коэффициент.

В инженерных расчетах:

[Вт/м²]

Все уравнения (Вина, Планка, Стефана-Больцмана) справедливы для абсолютно черного тела. На практике имеют дело с реальными серыми телами, у которых . Их излучение отличается от АЧТ.

Излучение АЧТ полностью характеризуется его температурой, а излучение реальных тел характеризуется на только температурой, но еще и коэффициентом поглощения. Поэтому вводится понятие псевдотемпературы.

Различают:

1. Радиационной температурой не черного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру Т_Р абсолютно черного тела, при которой энергии яркости обоих тел равны.





- коэффициент поглощения по всему спектру.

Т.к. у реальных тел α<1, то действительная температура больше радиационной.

2. Яркостной (черной) температурой нечерного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру Т_е абсолютно черного тела, при которой спектральные плотности яркостей обоих тел при одной и той же длине волны равны.





т.к. , то
3. Цветовой температурой нечерного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру Т_Ц абсолютно черного тела, при которой отношение спектральных плотностей яркостей обоих тел при длинах волн и равны.

Принципиальные схемы пирометров.

Пирометры полного излучения (радиационные).

Принцип действия основан на законе Стефана-Больцмана.

Пирометр состоит из датчика (приемника) и вторичного прибора. В зависимости от типа оптической системы датчики подразделяются на рефлекторные и рефракторные.

Рефлекторные используются для измерения низких температур (используется зеркало). В рефракторных используется линза.



Термобатарея:

П
ирометры частичного излучения (оптические).

Основаны на уравнениях Вина и Планка.

Измеряют энергию излучения в узком интервале длин волн, который выделяется с помощью светофильтра.




Пирометр с исчезающей нитью (переносной).

ПС – серое поглощающее стекло.

СФ – красный светофильтр.

Имеется температурная лампа, которая имеет линейную зависимость между током и яркостью.

Пирометр наводится на объект.

Человек смотрит в окуляр и увеличивает силу тока до тех пор, пока нить накаливания лампы не сольется (исчезнет) на фоне объекта. Эта сила тока измеряется в мА, но шкала проградуирована в градусах. Прибор показывает кажущуюся температуру. ПС используется для расширения диапазона измерений.
Диапазон измерений без ПС 800 - 1400С

Диапазон измерений с ПС 1400 – 2000С

Недостаток – субъективность оценки (ошибка определяется чувствительностью глаза).
Для исключения этого недостатка используются фотоэлектрические пирометры.
М – модулятор

СФ – светофильтр

ФП – фотоприемник

ЛН – лампа накаливания
Имеется шторка, которая то открывается, то закрывается.

Ц ветовые пирометры.

Выделяют 2 длины волны при помощи двух светофильтров, установленных на вращающемся диске. Основан на законе смещения Вина.


Используют 2 светофильтра (синий и красный). Одним выделяют , а другим .




ЗУ – запоминающее

устройство

БД – блок деления

С – синий светофильтр

К – красный светофильтр
Класс точности 1 – 1,5.