Обзор развития, современное состояние и значение метрологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 9.5

Управляющее устройство УУ задает цикл измерений Тц и вырабатывает импульс первого такта длительностью Т1 (рис.9.5, б). В течение интервала времени Т1 электронный ключ SA находится в исходном состоянии и измеряемое напряжение Uх через входное устройство ВУ поступает к интегратору и сообщает конденсатору С количество электричества

В момент окончания импульса Т1 УУ открывает ключ SD и на счетчик Сч начинают поступать импульсы от генератора Г. Одновременно ключ SA перебрасывается во второе устойчивое состояние и к интегратору поступает опорное напряжение UK обратной полярности. Конденсатор в течение интервала времени Тх разряжается до исходного состояния

В момент окончания разряда конденсатора напряжения на обоих входах УС оказываются равными нулю, УС дает команду на размыкание SD, и поступление импульсов на счетчик прекращается. Их количество определяет Тх. Поскольку количество электричества при заряде и разряде конденсатора одинаково, то получаем

интервал времени Тх не зависит от постоянной времени интегратора, т.е. для осуществления метода двойного интегрирования не требуются цепи с высокостабильными элементами. Длительность первого такта интегрирования Т1, и значение опорного напряжения UK могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

Дальнейшее развитие цифровых вольтметров связано с построением их на основе микропроцессорных устройств. Введение микропроцессоров позволяет алгоритмизировать измерительный процесс, что значительно расширяет технические и функциональные возможности приборов.

Программируемые ЦВ, помимо автоматической установки пределов измерений, способны также выполнять:

- первичную обработку данных (определение параметров исследуемого сигнала, величину отклонений и т. п.);

- хранить значения измеренных параметров в блоке памяти;

- производить различные операции с измеренными величинами (сравнение, сложение, умножение на константу);

- производить автокалибровку;

- управлять работой функциональных узлов прибора, производить их диагностику с индикацией состояний;

- регистрировать и выводить данные в нужной форме и т.п.

В качестве примера рассмотрим характеристики цифрового универсального вольтметра серии В7-73 Минского приборостроительного завода (рис.9.6):

Индикация: ЖКИ с повышенной яркостью - 5 и 1/2 разряда.

Хранение до 200 результатов измерений во внутреннем ОЗУ.

Математическая обработка результатов измерений по 10 программам, в том числе измерение температуры и мощности, тестирование диодов и т.д.

Интерфейсы IEEE 488 (В7-73/1), RS-232 (В7-73/2).

Диапазон измерения постоянного напряжения - 10 мкВ…1000 В (с погрешностью ± 0,01 %).

Диапазон измерения переменного напряжения (от 20 Гц до 100 кГц) - 1 мВ…700 В (с погрешностью ± 0,3 %).

Диапазон измерения постоянного тока - 100 мкА…2 А (с погрешностью ± 0,1 %).

Диапазон измерения переменного тока (от 20 Гц до 5 кГц) - 10 мА…2 А (с погрешностью ± 0,5 %).

Диапазон измерения сопротивления - 0,1 Ом…2 ГОм (с погрешностью 0,06/0,3).

Диапазон измерения частоты - 20 Гц…1 МГц.(с погрешностью ± 0,02 %).

Потребляемая мощность - 10 В•А.

Масса - 3 кг.

Тема 10 Измерение неэлектрических величин

Комплексная автоматизация технологических процессов предполагает контроль и измерение различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (регулирования) - механических, тепловых, оптических и других неэлектрических. Преимущества же электроизмерительных приборов и преобразователей очевидны. Этим обстоятельством объясняется широкое распространение первичных измерительных преобразователей (датчиков), предназначенных для измерений неэлектрических величин и преобразования их в электрические.

Первичные измерительные преобразователи чрезвычайно разнообразны по принципу действия, устройству, видам входного и выходного сигналов, функциональному назначению, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

В зависимости от выходного параметра первичные измерительные преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, по принципу действия и др.

Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи - электрическое сопротивление или его составляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобразователя необходим дополнительный источник питания, обеспечивающий образование выходного сигнала преобразователя.

К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы или термометры сопротивления), индуктивные, емкостные, оптоэлектронные (фоторезисторы, фотодиоды и др.), ионизационные и др.

Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.10.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемешается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.).

Подобные преобразователи обладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными сопротивлению одного витка, что вызывает погрешность

где R - сопротивление одного витка;

R - полное сопротивление преобразователя.

Рисунок 10.1 ? Реостатные преобразователи для угловых и линейных

перемещений

Эта погрешность отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки.

Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.10.1, в).

Достоинства реостатного преобразователя: относительная простота конструкции, возможность получения высокой точности преобразования и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недостаток - наличие скользящего контакта.

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи (рис.10.2).

На рис. 10.2 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 10.2, а) с переменной длиной воздушного зазора д характеризуется нелинейной зависимостью L = f (д). Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01--5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 10.2, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 10.2, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

погрешность мост метрологический измерительный



Рисунок 10.2 ? Различные конструкции индуктивных преобразователей

На рис. 10.2, г показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис. 10.2, д).

В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи (рис. 10.2, е), действие которых основано на использовании эффекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивления цепи) от величины механического воздействия (сжатия или растяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью.

Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей являются простота и надежность в работе, значительная мощность выходных сигналов. Основными недостатками - обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектрической проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые перемещения, а также давление, влажность или уровень среды в изменение электрической емкости.

Из курса физики известно, что емкость плоского конденсатора

где - диэлектрическая постоянная;

- относительная диэлектрическая проницаемость между обкладками;

S - активная площадь обкладок;

- расстояние между обкладками.

Исходя из этого выражения можно утверждать, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей C = f1(), C =f2(S), C = f3 (д).

Преобразователь на рис. 10.3, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины x относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования С=f(д) нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния д. Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

в)

Рисунок 10.3

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис. 10.3, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2. Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости C = f1 () применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис. 10.3, в) приведем устройство емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10-7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных датчиков: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Основные недостатки - необходимость в источниках питания повышенной частоты и вредное влияние паразитных емкостей, температуры, влажности и внешних электрических полей.

Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе.

Действие ионизационных преобразователей основано на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют -, - и -лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи и нейтронное излучение. Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма-лучи (электромагнитные колебания малой длины волны - 10-8…10-11 см) обладают большой проникающей способностью. Проходя через вещество лучи ослабляются

J = J0 •exp (- d)

где J - интенсивность -лучей, прошедших через вещество (тело);

J0 - интенсивность поступающих в вещество (тело) -лучей;

- коэффициент ослабления;

d - толщина слоя вещества (тела).

Таким образом, с помощью -лучей либо другого ионизирующего излучения можно измерять толщину слоя изделий, плотность жидкостей и газов и др.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.

Преимущества ионизационных преобразователей - в возможности бесконтактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, средах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим давлением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной. К генераторным преобразователям относят термоэлектрические преобразователи (термопары), пьезопреобразователи, тахогенераторы и др.

Тахогенераторы предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого электродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w судят по выходной ЭДС генератора.

Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока, выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя.

Синхронные тахогенераторы имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др.

Асинхронные тахогенераторы по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К одной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмотки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоянной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту.

К основным недостаткам тахогенераторов относят ограниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями - шифраторами углового перемещения (положения).

В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения - приемник излучения (светодиод - фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару.

Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин.

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Пьезоэлектрические датчики обычно применяют для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях, переменных усилиях и т.д.

В зависимости от типа используемого термопреобразователя различают термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические преобразователи и пирометры излучения.

Таблица 10.1 - Наиболее распространенные промышленные средства измерения и контроля температуры

Термометрическое свойство	Наименование средства	Диапазон измерений, °С
Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме	Манометрические термометры: газовые жидкостные конденсационные	-150?600 -150?600 -50?350
Термоэлектрический эффект (термоЭДС)	Термоэлектрические преобразователи	-200?2200
Изменение электрического сопротивления	Металлические термометры сопротивления	-260?1100
	Полупроводниковые термометры сопротивления	-240?300
Тепловое излучение	Пирометры излучения: квазимонохроматические спектрального отношения радиационные	700?6000 1400?2800 50?3500

Термобаллон манометрического термометра (рис.10.4) представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальной стали, стойкой к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона находится в пределах 5-30 мм, а его длина 60-500 мм. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической пружиной, представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм. Длина капиллярной трубки в зависимости от эксплуатационных требований может быть от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную защитную оболочку, предохраняющую их от повреждений при монтаже и эксплуатации.



В зависимости от конструкции измерительной системы манометрические системы бывают показывающими, самопишущими, бесшкальными со встроенными датчиками для дистанционной передачи показаний на расстояние.

Манометрические термометры - достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу показаний на расстояние. В настоящее время промышленностью выпускаются манометрические термометры с унифицированными пневматическим и электрическим (постоянного тока) выходными сигналами классов точности 1; 1,5; 2,5. Важное достоинство этих термометров - возможность использования их на взрывоопасных объектах.

Принцип действия терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной и платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100 °С, медные - в диапазоне от -200 до +200 °С (ГОСТ 6651-78). Низко-температурные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877-76) применяют для измерения температуры в пределах от -261 до -183°С.

На рис. 10.5, а показано устройство платинового терморезистора.

Рисунок 10.5 - Устройство и внешний вид арматуры платинового терморезистора

В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора.

Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис. 10.5, б) из нержавеющей стали.

Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от температуры выражается уравнением

R=R0• (1+б t) при -50 0С ? t ? +180 0С

где R0 - сопротивление при t=0 0С; б = 4,26•10-3 К-1.

Для платиновых -

R=R0•[1+А t+В t2] при 0 0С ? t ? +650 0С,

где А=3,968•10-3 К-1; В=5,847•10-7 К-2; С=-4,22•10-12 К-4.

Платина является наилучшим материалом для термометров сопротивления, поскольку легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления и высокое удельное сопротивление.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от -182,97 до 630,5 °С.

Помимо платины и меди, для изготовления терморезисторов используют также никель (в странах дальнего зарубежья).

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы и позисторы) различных типов, которые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10-15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества - оксиды магния, кобальта, марганца, титанат меди, кристаллы германия. Недостаток термисторов - плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования.

Термисторы используются в диапазоне температур от -60 до +120°C.

где R и R0 - сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t0;

t0 - начальная температура рабочего диапазона;

В - коэффициент преобразования.

К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды и термотранзисторы, у которых при изменении температуры изменяется величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно применяются в диапазоне от -80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и термотранзисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения.

К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: узкий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразователя.

Электрический термометр сопротивления представляет собой терморезистор, включенный в измерительную цепь, которой в большинстве случаев является уравновешиваемый или неравновесный измерительный мост. Терморезистор может быть включен в мост по двухпроводной или трехпроводной схеме. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов применяют трехпроводную схему (рис.10.6).

В этой схеме два провода включены в соседние плечи моста, а третий - в диагональ питания. При работе этой цепи в равновесном режиме и при условии, что R1 = R3, а RЛ1= RЛ2 , погрешность от изменения сопротивления проводов отсутствует. При работе же в неравновесном режиме погрешность значительно меньше, чем при двухпроводной схеме включения.

Для измерения температуры с помощью стандартных медных и платиновых терморезисторов промышленность выпускает автоматические мосты классов точности 0,25; 0,5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) работают на термоэлектри-ческом эффекте, возникающем в цепи термопары: при разности температур в точках 1 и 2 (рис.10.7) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10.7

Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2' - свободными концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах. Таким образом, оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой зависит в итоге от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.

Для удобства стабилизации температуры свободных концов термопару иногда удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от 0 до 100°С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термоЭДС от температуры, что и у основной термопары.

Для предохранения от механических повреждении и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру.

На рис. 10.8, а показано устройство стандартного термоэлектрического термометра. В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9. Для обеспечения надежного контакта спай 2 изготавливают сваркой, реже пайкой или скруткой (для высокотемпературных ТЭП).

Рисунок 10.8

Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15-25 мм и длиной в зависимости от потребности объекта измерения от 100 до 2500 - 3500 мм. Материалом для защитной гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур используются гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов составляет 2-3 мм, кроме термоэлектродов платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и поверхностными -- для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднителен или невозможен.

В настоящее время широкое применение находят термоэлектрические термометры кабельного типа (рис. 10.8, б, в).

В тонкостенной оболочке 1 размещены термоэлектроды 3, изолированные друг от друга, а также от стенки оболочки термостойким керамическим порошком 4. Рабочий спай 2 может иметь контакт с оболочкой (рис. 10.5, б) или изолируется от нее (рис. 10.8, в). Оболочку выполняют из высоколегированной нержавеющей стали с наружным диаметром 0,5-6 мм, длиной 10-30 м. Благодаря указанным размерам кабельные термоэлектрические термометры являются весьма гибкими при достаточной механической прочности. Выпускаемые хромель-алюмелевые и хромель-копелевые кабельные термометры можно использовать в интервале температур от -50 до 300°С при давлении в 40 МПа. Внутрь оболочки кабеля помещены от одного до трех ТЭП.

В табл.10.2 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью.

Таблица 10.2 - Характеристики стандартных термопар

Тип термопары	Материалы электродов термопар	ТермоЭДС (при tр.к.=100 0С, tс.к.=0 0С), мВ	Верхний предел измеряемой температуры,0С
			длительно	кратковременно
ТПП	Платинородий (10% родия) - платина	0,64	1300	1600
ТПР	Платинородий (30% родия) - платинородий (6% родия)	13,81 (при tр.к=1800 0С)	1600	1800
ТХА	Хромель (90% Ni+10% Cr) - алюмель (94,83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si+ 0.17 Fe)	4,10	1000	1300
ТХК	Хромель - копель (56% Cu + 44% Ni)	6,90	600	800
ТВР	Вольфрамрений (5% рения) -вольфрамрений (20% рения)	1,33	2200	2500

Основной недостаток термопар - значительная инерционность (в обычной арматуре показатель тепловой инерции составляет несколько минут). В настоящее время известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет не более 5 с.

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрического преобразователя (термопары) и электроизмерительного прибора (милливольтметра или компенсатора).

Показания милливольтметра при постоянных значениях сопротивления проводников и RmV определяются значением ЭДС термопары и, следовательно, измеряемой температурой. Шкала прибора в этом случае градуируется с указанием типа термопары и выбранного значения внешнего сопротивления. Для подгонки внешнего сопротивления до значения, при котором производилась градуировка (0,6; 5; 15 или 25 Ом), используют уравнительный резистор Rу.

На рис. 10.9 приведена схема термоэлектрического термометра с милли-вольтметром, в которой УП и СП -- соответственно удлинительные и соединительные провода; mV -- милливольтметр; Rу -- уравнительный резистор.

Рисунок 10.9 - Термоэлектрический термометр

Сопротивление проводов изменяется при колебаниях температуры воздуха. Для уменьшения влияния изменения сопротивления термопары и проводов применяют милливольтметры с большим внутренним сопротивлением.

На рис. 10.11 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки на изменение температуры свободных концов термопары. Для этого последовательно в цепь термопары и милливольтметра включают неравновесный мост, в котором резистор R1 выполнен из меди и находится в зоне, имеющей температуру свободных концов термопары; резисторы R2, R3 и R4 сделаны из манганина.

Рисунок 10.11 - Термоэлектрический термометр с автоматическим вводом поправки на изменение температуры свободных концов термопары

При градуировке термометра мост находится в равновесном состоянии. В процессе эксплуатации при отклонении температуры свободных концов термопары от значения, при котором производилась градуировка, на диагонали моста а-б появляется разность потенциалов, суммирующаяся с термоЭДС термопары. Параметры моста подобраны так, что изменение термоЭДС от колебаний температуры свободных концов практически полностью компенсируется напряжением, снимаемым с моста. Чувствительность моста регулируют с помощью потенциометра R5.

В термоэлектрических термометрах для измерения ЭДС термопары используют также автоматические компенсаторы, которые имеют значительно меньшую основную погрешность, нежели милливольтметры.

Пирометрами излучения называют приборы для измерения температуры, работа которых основана на использовании энергии излучения нагретых тел.

Все физические тела, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое объектом за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии).

Ввиду того что интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, пирометры используются в основном для измерения температуры от 300 до 6000°С и выше. Для измерения температур свыше 3000°С методы пирометрии являются практически единственными, так как они бесконтактны, т.е. не требуют непосредственного контакта датчика прибора с объектом измерения. Теоретически верхний предел измерения температуры пирометрами излучения неограничен.

Следует также отметить, что бесконтактные методы измерения обладают тем положительным свойством, что при использовании их не искажается температурное поле объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут применяться и контактные методы, последним отдается предпочтение из-за их более высокой точности.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает волны всех длин л в диапазоне от 0 до бесконечности. Видимое глазом человека излучение, называемое светом, охватывает диапазон длин волн 0,40--0,75 мкм. Невидимые лучи охватывают инфракрасный участок спектра, т. е. диапазон от л=0,75 до л~400 мкм, за которым следует постепенный переход в радиоволновой диапазон. Лучи с л<0,40 мкм также невидимы и относятся к ультрафиолетовому диапазону, за которым следуют рентгеновские и гамма-лучи.

Температурное излучение характеризуют переносимой им энергией. Количество лучистой энергии в лучах длиной волны от л до л + Дл, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени, называют монохроматической интенсивностью излучения. Количество лучистой энергии, излучаемой при данной температуре единицей поверхности тела в единицу времени для длин волн от 0 до ?, называют интегральной интенсивностью излучения.

Для абсолютно черного тела зависимость монохроматической интенсивности излучения от температуры тела и длины волны выражают уравнением

где С1 и С2 - постоянные излучения; К - длина волны, для которой определяют интенсивность излучения; е - основание натуральных логарифмов; Т - абсолютная температура. Эта зависимость положена в основу измерения температуры при помощи оптических пирометров.

Логарифм отношения интенсивностей излучения при длинах волн л1 и л2 и при малых значениях лT

где Сґ1 и Сґ2 -- постоянные, зависящие от л1 и л2.

Полученная зависимость используется при измерении температуры цветовыми пирометрами.

Для абсолютно черного тела интегральная интенсивность излучения

где у -- постоянный коэффициент. На этой зависимости основано измерение температуры радиационными пирометрами.

Монохроматическая и интегральная интенсивности излучения всякого физического тела всегда меньше, чем у абсолютно черного тела, при одинаковой температуре. Для физических тел

где ел и е -- коэффициенты, соответственно, монохроматического и интегрального излучения, меньшие единицы.

Значения ел и е различных физических тел различны и зависят от многих трудно учитываемых факторов: от состава вещества, состояния поверхности тела, температуры тела и т.д. Поэтому градуировку пирометров излучения производят по излучению абсолютно черного тела. При измерении температуры физического тела возникает погрешность, которую можно учесть, если известны коэффициенты ел и е.

Если коэффициенты монохроматического излучения тела в двух длинах волн равны, то логарифм отношения интенсивностей излучения не зависит от ел. Поэтому в цветовых пирометрах при указанных условиях не требуется вводить поправку на неполноту излучения объекта.

В оптическом пирометре (рис. 10.12) интенсивность излучения нагретого тела измеряют путем сравнения в монохроматическом свете яркости исследуемого тела с яркостью нити лампы накаливания.

Рисунок 10.12 - Конструкция оптического пирометра

Пирометр предварительно градуируют по излучению абсолютно черного тела. Под яркостью понимают отношение силы света в данном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Два тела, имеющие в одном направлении одинаковую яркость, обладают одинаковой интенсивностью излучения.

В этом пирометре яркость исследуемого тела 1 сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4. Яркость нити лампы, накаливаемой от источника Б, регулируют реостатом R. Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив 2 и окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и передвижением объектива и окуляра добиваются получения четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Изменяя ток в фотометрической лампе, добиваются совпадения яркости нити и исследуемого тела. Отсчет показаний в момент совпадения яркости производят по шкале вольтметра, который градуируют в градусах температуры абсолютно черного тела. Иногда для повышения точности измерения тока или падения напряжения на нити лампы применяют компенсатор постоянного тока.

Для того чтобы интенсивности излучения сравнивались в спектре монохроматических лучей, в пирометре предусмотрен красный светофильтр 6, пропускающий лучи длиной 0,62 мкм и выше. Человеческий глаз чувствителен к лучам длиной волны до 0,73 мкм. Таким образом, сравнение интенсивностей излучения происходит практически в узком спектре 0,62…0,73 мкм.

Нить фотометрической лампы допустимо накаливать до определенной температуры (1400 °С), а поэтому для увеличения верхнего предела измеряемых температур в пирометре имеется ослабляющий светофильтр 3, уменьшающий яркость исследуемого тела в определенное число раз.

Промышленностью СССР выпускались различные типы оптических пирометров, например, ЭОП-66, с помощью которых можно производить измерения в достаточно широком диапазоне температур (800…10 000 °С).

В радиационных пирометрах (рис. 10.13) интегральная интенсивность излучения воспринимается теплочувствительным элементом.



Рисунок 10.13 - Конструкция радиационного пирометра

Внутри телескопа, имеющего объектив 2 и окуляр 5, расположена помещенная в стеклянный баллон термобатарея из последовательно включенных термопар 4. Рабочие концы термопар находятся на лепестке, покрытом слоем платины. Телескоп наводят на объект 1 так, чтобы лепесток перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения падала на рабочие концы термопар. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела. Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4.

Рисунок 10.14

Существуют различные конструкции термобатарей.

На рис. 10.14 приведена звездообразная термо-батарея, выполненная из десяти последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, в качестве которых обычно используются хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 60--70 мкм. Плоские рабочие концы 3 преобразователей, зачерненные платиновой чернью, образуют венчик. Свободные концы термоэлектрических преобразователей закреплены с помощью металлических пластин 2 на слюдяном кольце 1. Температура свободных концов преобразователя при градуировке равна (20±2)°С. Для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термобатареи параллельно последней подсоединяют катушку из медной или никелевой проволоки. Этот метод компенсации заключается в том, что, например, при увеличении температуры свободных концов термоЭДС термобатареи уменьшается, а сопротивление меди увеличивается и ток, ответвляющийся в измерительный прибор, изменяется незначительно.

Класс точности радиационных пирометров составляет 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов - 0,3…1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т. д., поскольку последние поглощают лучистую энергию, что может привести к дополнительной погрешности измерения.

Радиационные пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела, и для них также (как и для оптических) характерна погрешность от неполноты излучения физических тел. Точность радиационных пирометров ниже точности оптических.

Для измерения температур в широком диапазоне выпускают несколько типов радиационных пирометров. Среди них, например, пирометры типа РАПИР (Россия) для температур 100…4000 °С.

В фотоэлектрических пирометрах для измерения интенсивности излучения объекта применяют фотопреобразователи (фотоэлементы). На рис. 10.15, а приведена упрощенная структурная схема фотоэлект-рического яркостного пирометра. Фотоэлемент 4 освещается с одной стороны от объекта измерения / через диафрагмы 2,3 и светофильтр 7, с другой стороны от лампочки накаливания 9 через ту же диафрагму 3 и светофильтр 7. Диафрагму 3 перекрывает колеблющийся якорь 8 электромагнита таким образом, что на фотоэлемент попадают изменяющиеся во времени световые потоки Ф1 и Ф2 обоих источников излучения; при этом фазы переменных составляющих обоих потоков сдвинуты на 180° (рис. 10.15, б).

Рисунок 10.15 - Структурная схема и диаграмма световых потоков фотоэлектрического пирометра

Результирующий световой поток Ф, имеющий переменную составляющую, амплитуда которой определяется разностью амплитуд переменных составляющих световых потоков Ф1 и Ф2 преобразуется фотоэлементом в фототок. Переменная составляющая фототока усиливается усилителем переменного тока 5, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 6иввиде постоянного тока направляется в миллиамперметр тА и лампу накаливания 9.Таким образом, в этом приборе осуществляется уравновешивающее преобразование, благодаря чему показания прибора не зависят от нестабильности характеристик фотоэлемента, усилителя и фазочувстви-тельного выпрямителя.

В этом пирометре используется сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, который в сочетании со светофильтром делает прибор чувствительным к узкому спектру волн, близкому к спектру, воспринимаемому оптическим пирометром. Это позволяет градуировать фотоэлектрический пирометр по образцовому оптическому пирометру. Пирометр имеет несколько диапазонов измерений. Переход с одного диапазона на другой осуществляют заменой диафрагмы 2.

Выпускают несколько типов цветовых фотоэлектрических пирометров, предназначенных для автоматического непрерывного измерения и регистрации температуры расплавленных металлов и сплавов. Так, например, пирометр «Спектропир-6» (Россия) работает в диапазоне температур 900…2200°С, основная погрешность прибора составляет ± 1 %.

Тема 11 Измерительные мосты

Рисунок 11.1 ? Схема одинарного моста переменного тока

В электроизмерительной технике получили широкое распространение электроизмерительные мосты - измерительные приборы, построенные на основе метода сравнения с мерой. Обладая высокой чувствительностью и относительной простотой конструкции, они позволяют с высокой точностью измерять электрические величины. В настоящее время применяются мосты как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.

Мостовые схемы применяют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности, угла потерь. На основе мостовых схем работают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и разрежения, линейных перемещений, объемного содержания газа в атмосфере и др.).

Плечи одинарного моста (рис.11.1) содержат в общем случае комплексные сопротивления Z1-Z4. Ветвь а-в называют диагональю питания. В выходной (измерительной) диагонали б-г находится нагрузка Zо.

Равновесие моста имеет место при Iо=0:

Z1Z4 = Z2Z3

В развернутой форме выражения полных сопротивлений плеч моста имеют вид

Z1=R1+jX1; Z2=R2+jX2; Z3=R3+jX3; Z4=R4+jX4

Подставив (7.2) в выражение (7.1) получим уравнения равновесия

Наличие двух уравнений равновесия для моста переменного тока означает необходимость регулировки не менее двух параметров для достижения равновесия (баланса). При этом имеет значение сходимость моста, под которой понимают возможность достижения состояния баланса определенным числом поочередных переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

Мосты, в которых измеряемую величину определяют из условия равновесия, называют уравновешиваемыми или равновесными. Измеряемую величину можно определять и по значению тока или напряжения в измерительной диагонали моста - такие мосты называют неравновесными или мостами отклонения. Неравновесные мосты удобнее в эксплуатации, однако они не обладают точностью равновесных мостов.

Схема одинарного моста постоянного тока не отличается от рассмотренной выше схемы. Плечи моста имеют активные сопротивления R1-R4, а выходная диагональ - гальванометр с Rо. Подобная схема моста постоянного тока носит название моста Уитстона. Рассмотрим на примере этого моста постоянного тока вывод уравнения равновесия, опущенный в предыдущем случае.

Если мост уравновешен, т.е. Iо=0, то

I1=I2, I3=I4 и R1I1=R3I3, R2I2=R4I4

Разделив одно уравнение на другое почленно, получим

R1/R2=R3/R4 или R1R4=R2R3

Если под R1 подразумевать объект с неизвестным сопротивлением Rx , то получим

Rх=R2R3/R4

Это выражение принято называть уравнением равновесия одинарного моста постоянного тока. Здесь R3 и R4 являются плечами отношения, а R2 - плечом сравнения.

Важнейшая характеристика моста - чувствительность. Поскольку выходными величинами моста являются ток, напряжение или мощность, то соответственно, различают чувствительность мостовой схемы по току, напряжению и мощности.

В мостах переменного тока чувствительность обычно определяют по напряжению

где

На основании (11.2) выражения чувствительности моста постоянного тока по току, напряжению и мощности запишутся соответственно

где ДI, ДU и ДP - соответственно приращения тока, напряжения и мощности в диагонали моста при изменении сопротивления плеча на ДR1.

12 Регистрирующие приборы и устройства

В тех случаях, когда необходимо определить текущие значения измеряемой величины, характер изменения этой величины, установить функциональную связь между несколькими измеряемыми величинами, иначе говоря возникает необходимость автоматической регистрации измеряемой величины, применяют соответствующие регистрирующие приборы, к которым относят самопишущие приборы, светолучевые осциллографы, измерительные магнитографы, графопостроители и т.п.

В таблице 12.1 представлены области применения основных классов регистрирующих приборов и устройств.

Таблица 12.1

Область применения	Применяемые приборы
Регистрация медленно меняющихся измеряемых величин	Прибор самопишущий с точечной записью на основе измерительного механизма
	Прибор самопишущий компенсационного типа (автоматические мосты и компенсаторы)
Регистрация быстро изменяющихся измеряемых величин (до 150 Гц)
	Прибор самопишущий с линейной записью на основе измерительного механизма
Регистрация очень быстро меняющихся измеряемых величин (до 30 кГц и более)	Светолучевые осциллографы Электронные аналоговые и цифровые осциллографы и магнито-графы
Регистрация двух взаимосвязанных измеряемых величин	Прибор самопишущий координатный (графопостроитель, плоттер)

Самопишущие измерительные приборы в зависимости от структурной схемы подразделяют на приборы прямого (с разомкнутой схемой) и уравновешивающего (с замкнутой схемой) преобразования. К последним относятся автоматические мосты и компенсаторы.

Самопишущие приборы прямого преобразования выполняются, как правило, на основе электромеханического измерительного механизма, оснащенного устройством регистрации показаний в форме диаграммы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

По виду регистрации самописцы разделяют на приборы с линейной (непрерывной) записью и с точечной регистрацией.Точечная (дискретная) запись регистрируемого сигнала обеспечивается путем кратковременного контакта пишущего органа с диаграммным носителем в определенные (установленные) моменты времени. Наибольшее распространение получили приборы с линейной записью (рис.12.1). Здесь регистрирующий орган (обычно перо специальной конструкции) фиксирует чернилами изменение измеряемой величины в функции времени на движущейся со скоростью v диаграммной бумаге (носителе).

Диаграммная лента (рис.12.2) обычно имеет по краям отверстия (перфорации), в которые входят штифты вращающегося валика лентопротяжного механизма. На бумаге нанесена координатная сетка - прямоугольная либо криволинейная, в соответствии с используемым механизмом перемещения регистрирующего органа (прямолинейным или угловым).

Вследствие необходимости обеспечения большого вращающего момента в измерительном механизме (для уменьшения погрешности от трения) в самопишущих приборах применяют в основном магнитоэлектрические и ферродинамические измерительные механизмы.

Рисунок 12.2 ? Диаграммы с прямоугольной (а) и с криволинейной (б и в) координатными сетками



Рисунок 12.3 ? Схема самопишущего манометра с многовитковой трубчатой пружиной

Магнитоэлектрические механизмы применяют в самопишущих вольтметрах и амперметрах постоянного тока. Ферродинамические измерительные механизмы используются в самопишущих приборах для цепей переменного тока.

Для одновременной регистрации нескольких измеряемых величин применяются многоканальные самопишущие приборы, состоящие из нескольких измерительных механизмов и регистрирующих органов и общего лентопротяжного механизма. Например, прибор типа К208-С позволяет одновременно регистрировать пять сигналов постоянного тока в функции времени.

Промышленность выпускает самопишущие приборы в основном с классом точности 1,0…2,5. Погрешность регистрации времени в таких приборах обычно составляет ±0,5 %. Время установления показаний не превышает 2 сек. Наиболее чувствительный самопишущий щитовой прибор постоянного тока типа Н392 имеет предел измерения по току 1 мА, а по напряжению - 75 мВ.

В настоящее время получили распространение быстродействующие самописцы, позволяющие регистрировать сигналы с частотой до 150 Гц (в отличие от обычных, у которых частота регистрируемых сигналов не превышает 1 Гц). К ним относятся приборы типа Н338 (с электромагнитным измерительным механизмом), Н3021 (с магнитоэлектрическим механизмом) и др.