Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

створом, а кислород, находящийся в воде, проникает в водород,

заполняющий пространство над раствором.

Теплопроводность водорода значительно больше, чем тепло-

проводность кислорода, поэтому условия теплопередачи в рабо-

чей камере отличаются от условий теплопередачи в трубке с во-

дородом. Температура платиновой нити в измерительной камере

изменяется пропорционально концентрации кислорода в водоро-

де, находящемся над раствором, и, следовательно, пропорцио-

нально количеству кислорода, растворенного в воде. Изменение

температуры рабочего плеча по отношению к температуре эта-

лонного плеча приводит к нарушению равенства сопротивлений,

т. е. к нарушению равновесия моста.

Напряжение небаланса моста измеряется прибором, шкала

которого отградуирована в единицах весового содержания кисло-

рода в анализируемом растворе.

Кислородомер РЭК-130 имеет пределы измерения от 0 до

0,5 мг/л О

. Мост и вспомогательный электролизный сосуд пита-

ются постоянным током.

В комплект кислородомера входят датчики, холодильник, пи-

тающие устройства и вторичный прибор в виде автоматического

самопишущего малогабаритного потенциометра типа ПСР1.

На электростанциях кислородомеры применяют для непре-

рывного контроля концентрации растворенного в воде кислорода.

Наличие кислорода даже в весьма незначительных количествах

способствует ускоренной коррозии трубопроводов и других час-

тей энергетических установок, учитывая, что в них непрерывно

проходят большие объемы воды.

Контрольные вопросы

1. Каково основное назначение газоанализаторов и концентратомеров

в технологическом процессе на электростанциях?

2. Объясните устройство ручного химического газоанализатора.

3 Какие физические свойства газов используются в электрических и маг-

нитных газоанализаторах?

4. Для чего служат фильтры, входящие в комплект газозаборного устрой-

ства газоанализатора дымовых газов?

5. Расскажите об основных особенностях методов анализа, использован-

ных в оптико-акустических газоанализаторах и хроматографах.

6. Какие виды приборов относятся к группе концентратомеров?

7. Для чего применяют устройства температурной компенсации в датчи-

ках электрических концентратомеров?

8. Объясните устройство фотокалориметра.

9. Какие основные источники погрешностей измерения датчиков электри-

ческих концентратомеров?

ГЛАВА VIII

ТАХОМЕТРЫ

§ 31. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ТАХОМЕТРЫ

Тахометрами называют приборы, предназначенные для изме-

рения скорости вращения валов турбин, насосов, электродвига-

телей и других машин.

Центробежные механические тахометры принадлежат к числу

приборов, давно применяемых в технике. Благодаря простоте

конструкции и удовлетворительной точности они широко

используются и в настоящее время.

Действие тахометра основано на центробежном эффекте. При

вращении тела на любую его частицу действует центробежная

сила, пропорциональная массе частицы, расстоянию от оси вра-

щения и квадрату угловой скорости:

где F — центробежная сила;

т — масса частицы тела;

r — расстояние от оси вращения;

ω —угловая скорость вращения тела.

Под действием центробежной силы все частицы вращающего-

ся тела стремятся удалиться от оси вращения. Если конструк-

тивно выполнить вращающееся тело так, чтобы оно могло изме-

нять свое расположение относительно оси вращения, и связать

его с осью через пружину, то по величине удаления массы от оси

можно оценить скорость вращения тела.

Существует много различных кинематических схем измери-

тельных механизмов центробежных тахометров, но наибольшее

применение получили механизмы с кольцевым грузом и четырьмя

сосредоточенными грузами (рис. 137).

В механизме с кольцевым грузом центробежные силы стре-

мятся повернуть кольцо. Оно связано с осью шарнирным соеди-

нением. При наибольшем повороте плоскость кольца становится

перпендикулярно ведущей оси механизма. Противодействующий

момент создает спиральная пружина, один конец которой закреп-

лен на оси, а другой — на кольце. Пружина стремится располо-

жить плоскость кольца вдоль ведущей оси вращения. Поворот

кольца посредством тяги и зубчатой передачи передается стрелке

172

прибора. Такой механизм используется в малогабаритных тахо-

метрах.

Приборы на несколько пределов измерения снабжают шесте-

ренчатыми редукторами с переменным передаточным отношени-

ем. Передаточные отношения подбирают соответственно преде-

лам измерения. Наличие редуктора позволяет иметь один диапа-

зон скорости вращения оси измерительного механизма на всех

пределах измерения.

Механизм центробежного

тахометра с четырьмя сосре-

доточенными грузами прин-

ципиально не отличается от

механизма с кольцом, но бо-

лее удобен для крупногаба-

ритных тахометров. Грузы

цилиндрической формы рас-

положены на двух крестови-

нах симметрично оси враще-

ния. Обе крестовины связа-

ны тягами с механизмом пе-

редачи движения стрелке

прибора.

Центробежные тахомет-

ры имеют неравномерную

шкалу, так как зависимость

хода стрелки от скорости

вращения нелинейна. Нача-

ло шкалы сжато. Средняя

часть расширена. На конце

шкалы деления снова уменьшаются. Степень неравномерности

шкалы зависит от конструкции измерительного механизма.

Измерительный механизм центробежного тахометра рассчи-

тывают на измерение скорости в определенных пределах, но не

от нуля, а от какого-либо начального значения. Противодейству-

ющая пружина предварительно закручена и прижимает кольцо

к механическому упору. Движение механизма начинается только

тогда, когда угловая скорость достигнет определенной величины,

и центробежная сила уравняется силой упругой деформации

противодействующей пружины.

Показания центробежных тахометров не зависят от направле-

ния вращения.

Успокоение подвижной системы осуществляется с помощью

инерционного маховичка или воздушного успокоителя, соединяе-

мых через шестерни с передаточным механизмом. При колебани-

ях грузов успокоитель развивает большую скорость. Сопротивле-

ние воздуха оказывает тормозящее действие и способствует за-

туханию колебаний.

173

Рис. 137. Механизмы центробежных

тахометров:

о — с кольцевым грузом, б — с отдельными

грузами

К общим недостаткам механических центробежных тахомет-

ров относится большое количество трущихся механических дета-

лей: осей, подшипников, шарниров, зубчатых передач. У стацио-

нарных тахометров эти детали находятся в непрерывном дви-

жении, что способствует их быстрому износу. Образующиеся в

соединениях неплотности приводят к возрастанию погрешности,

а износ зубьев шестерен влечет за собой выход всего прибора из

строя.

Контрольные тахометры имеют допустимую погрешность

0,5—1,0%, погрешность рабочих центробежных тахометров от

1 до 8%.

Повышенные требования предъявляются к точности рабочих

тахометров на том участке шкалы, который соответствует номи-

нальной скорости вращения того агрегата, где устанавливается

данный тахометр. Соответствующее деление шкалы отмечается

красной чертой.

Шкала тахометра круговая и размещается на дуге около

300° С. Для контрольных тахометров применяют многорядные

шкалы по количеству пределов измерения.

Стационарные центробежные тахометры ТС-100 (рис.138)

имеют измерительный механизм с кольцевым грузом (маятни-

ком). Пределы измерения — 150—8000 об/мин. Для разных типо-

размеров отношения между верхним и нижним пределами изме-

рения составляют от 3,5 до 6. Диаметр корпуса, в котором рас-

положен циферблат шкалы, равен 100 мм.

Тахометры ТС-120, ТС-160, ТС-200 имеют механизмы с че-

тырьмя грузами. Пределы измерения — 50—10 000 об/мин. Соот-

ношение между верхним и нижним пределами от 3,5 до 7,5.

Для удобства эксплуатации некоторые модели тахометров де-

лают с двумя циферблатами, расположенными с обеих сторон

корпуса. К таким тахометрам относится тахометр ТСД-200.

§ 32. МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ ТАХОМЕТРЫ

Принцип действия измерительного механизма магнитоиндук-

ционного тахометра (рис. 139) основан на силовом взаимодейст-

вии поля постоянного магнита и токов, возникающих в металли-

ческом теле при его движении в магнитном поле.

Постоянный магнит соединен с осью тахометра. При движе-

нии магнита его магнитное поле непрерывно пересекает цилинд-

рический колпачок из алюминия. Возникающие в толще алюми-

ния вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем и увле-

кают колпачок в сторону вращения магнита. С осью колпачка

связана стрелка указателя. Противодействующий момент созда-

ется спиральной пружиной. Один конец пружины прикреплен к

оси колпачка, другой — к неподвижному основанию. Сила взаи-

174

Рис. 138. Тахометр ТС-100:

1-корпус, 2- кольцо маятника, 3 - пружина, 4 - тяга, 5 и 12 - подшипники, 6 - поводок 7 - нижняя платина 8 - верхняя

платина. 9 - маховичок, 10-пружинная муфта, 11-выходной вал, 13-уплотнение стекла , 14 -шестерня 15-втулка 17-

циферблат, 17 - триб, 18 - стрелка, 19 - защитное стекло, 20 - зубчатый сектор

модействия вихревых токов, индуктируемых во вращающемся

колпачке, и магнитного поля зависит от скорости вращения. Поэ-

тому угол отклонения стрелки пропорционален скорости в раще-

ния выходного вала и шкала маг-

нитного тахометра имеет равно-

мерный характер.

Пружина предварительно за-

кручена. Стрелка в начальном по-

ложении прижимается к механи-

ческому упору на шкале и начи-

нает поворачиваться, когда дейст-

вующий момент превысит проти-

водействующий момент пружины.

Магнитоиндукционные тахо-

метры очень просты и надежны в

эксплуатации. Они содержат

очень мало деталей. Отсутствует

прямая механическая связь меж-

ду вращающимся магнитом и ука-

зателем.

К их недостаткам относится

зависимость показаний от изме-

нения поля магнита.

Максимальная погрешность

магнитоиндукционных тахометров

не превышает 1,5—2%.

Рис. 139. Устройство магнитоин-

дукционного тахометра:

1 — защитное стекло, 2 — шкала, 3 —

корпус, 4 — подшипники, 5 — ось, 6 —

магнитопровод, 7 — постоянный магнит,

8 — алюминиевый колпачок, 9 — проти-

водействующие пружины, 10 — стрелка-

указатель

§ 33. ТАХОМЕТРЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ

Тахометр с электрическим генератором представляет собой

Рис. 140. Схема та-

хометра с генера-

тором постоянного

тока

сочетание генератора постоянного или переменного тока и вто-

ричного электроизмерительного прибора

(рис. 140).

Принцип действия электрического гене-

ратора заключается в том, что при движе-

нии проводника в магнитном поле возникает

электродвижущая сила. Величина электро-

движущей силы пропорциональна магнитной

индукции, длине проводника и скорости его

движения. Магнитное поле в генераторе об-

разуется постоянным магнитом.

Количество витков и их длина также по-

стоянны в каждом конкретном случае. Сле-

довательно, индуктируемая генератором

электродвижущая сила зависит только от скорости взаимного

перемещения магнитного поля и проводника, т. е. от скорости

вращения ротора генератора. Генератор, обмотка которого выве-

176

дена через контактные кольца, дает переменный ток. Если же вы-

вести обмотку через коллектор, то на выходе генератора получа-

ется постоянный ток.

В качестве тахометрического генератора постоянного тока

может быть использована так называемая униполярная электри-

ческая машина, ротор которой представляет собой медный диск,

вращающийся в магнитном поле статора. Электродвижущая сила

(очень малая по величине) образуется между осью диска и его

наружным краем. Токосъемные щетки устанавливаются на оси

и на наружном крае диска.

Для каждого вида тахометрического генератора применяют

соответствующий электроизмерительный вторичный прибор. Для

генератора постоянного тока используют прибор магнитоэлектри-

ческой системы, для генератора переменного тока — приборы вы-

прямительной системы. Униполярные генераторы применяют

главным образом при различных испытаниях оборудования; они

работают в комплекте с шлейфовыми осциллографами или с вы-

сокочувствительными магнитоэлектрическими приборами.

Тахометры с электрическими генераторами в отличие от цент-

робежных и магнитных дают возможность дистанционной пере-

дачи показаний, так как вторичный прибор может быть удален

на значительное расстояние от места измерения.

С помощью тахогенераторов можно измерять скорость вра-

щения в широких пределах при равномерном характере шкалы.

Однако это свойство на практике иногда оказывается недостат-

ком электрических тахометров, так как при равномерной шкале,

начинающейся от нуля, получается слишком большая цена каж-

дого деления, если тахометр рассчитан на измерение больших

скоростей. Для уменьшения цены деления применяют специаль-

ные приборы, которые дают показания, начиная не с нуля, а с ка-

кой-либо заданной скорости вращения.

Другим недостатком является небольшая длина дуги шкалы

обычных электроизмерительных приборов. Поэтому приходится

использовать приборы с более сложной конструкцией измери-

тельного механизма, позволяющего получить угол отклонения

стрелки на дуге в 240°.

Дистанционный электрический тахометр ТЭ (рис. 141) пред-

ставляет собой сочетание синхронной передачи и указателя, ана-

логичного магнитоиндукционному тахометру.

Датчиком синхронной передачи служит трехфазный генера-

тор с ротором в виде постоянного магнита. При вращении ротора

в обмотках статора возникает переменный ток, частота которого

соответствует угловой скорости ротора.

Датчик связан трехпроводной линией с приемником, в кото-

ром имеется синхронный электродвигатель. Для улучшения пус-

ковых характеристик в роторе электродвигателя, кроме постоян-

ных магнитов, установлены три стальных диска.

177

Магниты посажены на ось ротора свободно и связаны с ней

через пружину. Это обеспечивает быстрый переход вращения ро-

тора электродвигателя из асинхронного в синхронный режим.

На конце вала электродвигателя укреплен магнитный узел,

содержащий шесть пар полюсов постоянных магнитов, между

которыми расположен металлический диск подвижной части ука-

зателя.

В результате взаимодействия вращающегося магнитного узла

с вихревыми токами в металлическом диске возникает вращаю-

щий момент, пропорциональный измеряемой скорости. На одной

Рис. 141. Схема электрического тахометра ТЭ:

1 — датчик-генератор, 2 — синхронный двигатель-приемник, 3 — ротор, 4 — маг-

нитный узел, 5 — ведомый диск, 6 — пружина, 7 — успокоитель, 8 — стрелка

оси с диском расположены: противодействующая спиральная

пружина, индукционный успокоитель и стрелка указателя при-

бора.

Дистанционные магнитные тахометры обладают сравнитель-

но высокой точностью (погрешность не более 0,2—0,5%), имеют

равномерную шкалу, достаточно надежны в работе. Пределы из-

мерения тахометров ТЭ от 250 до 4000 об/мин.

Электрические тахометры с дистанционной передачей показа-

ний используются на щитах управления и в качестве элементов

схем защиты и автоматического регулирования.

§ 34. СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ТАХОМЕТРЫ

Стробоскопический эффект основан на том, что человеческий

глаз имеет свойство сохранять некоторое время видимое изобра-

жение. Если перед глазом наблюдателя проходят с большой ско-

ростью последовательно одни и те же изображения с малыми

перемещениями отдельных деталей, то он видит устойчивое изо-

бражение с непрерывным движением этих деталей. Этот эффект

достигается только при условии, что смена изображений проис-

ходит при отсутствии или значительном снижении освещенности.

Стробоскопический тахометр (рис. 142) основан на том же

эффекте. Вращающаяся деталь, скорость которой необходимо из-

мерить, освещается источником прерывистого света. Если часто-

та импульсов света совпадает со скоростью вращения объекта,

178

то объект кажется неподвижным. Поскольку частота вспышек

источника света задается специальным генератором и может

плавно регулироваться, то

всегда можно добиться сов-

падения периода импульсов

освещения с периодом вра-

щения объекта. Величина из-

меряемой скорости отсчиты-

вается по шкале генератора

импульсов.

На рис. 143 приведена

упрощенная принципиальная

схема стробоскопического

тахометра с электронным ге-

нератором импульсов тока.

Частота вспышек опреде-

ляется отношением R и С,

поэтому, изменяя R, можно

регулировать эту частоту и

отсчитывать ее по положе-

нию движка этого сопро-

тивления.

Рис. 142. Стробоскопический тахометр

Когда частота импульсов отличается от скорости вращения,

то кажущееся изображение объекта начинает вращаться. Если

скорость импульсов меньше, изо-

бражение вращается в направле-

нии действительного вращения

объекта. При частоте импульсов,

превышающей скорость враще-

ния, кажущееся изображение на-

чинает вращаться в противопо-

ложную сторону по отношению

к действительному направлению

вращения объекта. Это получает-

ся в связи с тем, что в промежутке

между вспышками объект повора-

чивается каждый раз больше или

меньше полного оборота. Чем

больше разница между периодом

вспышки и периодом оборота, тем

быстрее относительное вращение

кажущегося изображения.

Глаз наблюдателя легко заме-

чает даже очень медленное вращение изображения, что обеспе-

чивает высокую точность подбора частоты импульсов освещения,

а следовательно, достаточно точное измерение скорости вра-

щения.

179

Рис. 143. Упрощенная схема стро-

боскопического тахометра:

R — регулятор частоты генератора, С—

конденсатор, Тр — трансформатор, Л

—

генераторная лампа, Л

— газоразряд-

ная лампа

За короткое время, пока длится каждая вспышка, измеряе-

мый объект все же успевает повернуться на некоторый угол.

Б результате этого нарушается четкость видимого «неподвижно-

го» изображения.

Четкость изображения можно улучшить только путем умень-

шения длительности каждой вспышки. Чтобы сохранить при этом

достаточную освещенность, необходимо усилить мощность гене-

ратора импульсов и яркость источника света.

Стробоскопические тахометры применяют для измерения ско-

ростей вращения в пределах 1000—50 000 об/мин. Погрешность

измерения зависит от точности градуировки генератора импуль-

сов и может быть меньше 0,1%.

Электронные тахометры измеряют скорость также по частоте

импульсов, получаемых от специальных датчиков, связанных с

вращающимся объектом.

Датчиками служат индуктивные, фотоэлектрические или

электроконтактные механические устройства, которые при каж-

дом обороте дают кратковременный электрический импульс.

Индуктивный датчик может быть выполнен различными спо-

собами. Например, на вращающийся объект устанавливают алю-

миниевый сектор, который проходит между двумя неподвижны-

ми катушками электронного генератора. В момент прохождения

сектора между катушками в генераторе возникает резкое изме-

нение выходного тока. Частота этих импульсов тока измеряется

электронным частотомером со шкалой, отградуированной в еди-

ницах скорости вращения.

Фотоэлектрический датчик состоит из зеркальца, установлен-

ного на вращающемся объекте, источника освещения (лампа на-

каливания) и фотоэлемента. В определенных положениях вра-

щающегося вала луч света отражается от зеркальца и попадает

на фотоэлемент. Сопротивление фотоэлемента резко изменяется.

Фотоэлемент включен в схему электронного частотомера, по ко-

торому отсчитывается измеряемая скорость.

Электроконтактный датчик пред-

Рис. 144. Схема электроим-

пульсного тахометра:

К — контакты прерывателя, С — кон-

денсатор, тА — измерительный при-

бор

180

ставляет собои прерыватель электриче-

ского тока (рис. 144). Измерительную

схему с прерывателем можно выпол-

нить различными способами.

Одна из простейших схем состоит

из электрического конденсатора, источ-

ника постоянного тока и магнитоэлек-

трического миллиамперметра. С помо-

щью контактов прерывателя конденса-

тор попеременно подключается при

каждом обороте вала то к источнику

питания, то к миллиамперметру. При

соединении с источником питания кон-

денсатор заряжается и затем разря-