Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

пилляре над рабочей жидкостью заполняется инертным газом

(обычно азотом). При наблюдении сквозь толщу стекла капил-

ляр представляется значительно увеличенным и столбик жидко-

сти хорошо виден, несмотря на очень малый действительный раз-

мер капилляра. Резервуар со ртутью у палочных термометров

имеет наружный диаметр, одинаковый с наружным диаметром

капиллярной трубки. Палочные термометры обладают высокой

точностью и применяются в основном для лабораторных изме-

рений.

Стеклянные термометры с вложенной шкалой (рис. 28, б, г, д)

отличаются тем, что капиллярная трубка имеет небольшой на-

ружный диаметр, а деления шкалы нанесены на плоскую пла-

стинку из молочного стекла, помещаемую сзади капиллярной

трубки. Шкала и капилляр заключены в стеклянную оболочку,

припаянную к резервуару.

Термометр с ртутным заполнением может быть снабжен

электрическими контактами, которые впаиваются в определен-

ных точках капилляра. Такие термометры называют контакт-

ными (рис. 28, е, ж). Один из контактов впаян в нижней точке

капилляра и всегда соприкасается с ртутью. Другие контакты

впаяны в капилляр на определенных отметках шкалы и сопри-

касаются с ртутью только при достижении соответствующей тем-

пературы. Контактные термометры сигнализируют предельные

значения температуры и применяются в схемах сигнализации

и простейших схемах автоматического регулирования темпера-

туры. Контактные термометры изготовляют для работы в преде-

лах от 0 до 300° С.

Шкала, нанесенная на термометр, справедлива, когда глу-

бина его погружения равна высоте столбика ртути. При этом

ртуть, находящаяся в резервуаре и капилляре, имеет темпера-

туру измеряемой среды. Если столбик ртути выступает над уров-

нем погружения термометра, то температура этой выступающей

части будет отличаться от температуры погруженной части. Сле-

довательно, выступающая часть столбика ртути будет иметь вы-

соту, зависящую от соотношения температур измеряемой среды

и окружающего воздуха. При температуре воздуха более низкой,

чем измеряемая среда, термометр будет иметь заниженные пока-

зания. При измерении низких температур выступающий столбик

дает погрешность в сторону завышения показаний. Поправку

к показаниям термометра на температуру выступающего стол-

бика подсчитывают по следующей формуле:

где Δt — поправка в ° С;

α — коэффициент линейного расширения столбика ртути

в капилляре (0,00016);

n — высота выступающей части столбика ртути в °С по

шкале;

— измеряемая температура в °С;

— температура окружающей среды в °С.

Допустимая погрешность лабораторных термометров опреде-

ляется ценой деления термометра и диапазоном измеряемых тем-

ператур, так, например, для термометра 0—100° С с ценой деле-

ния 0,1° С погрешность не должна превышать ±0,2° С; для тер-

мометров 400—500° С с ценой деления 2° С погрешность не долж-

на превышать ±5° С.

Для технических термометров тех же пределов измере-

ния допустимая погрешность соответственно равна от ±1 до

±10° С.

Достоинства стеклянных ртутных термометров заключа-

ются в их простоте и дешевизне при удовлетворительной точно-

сти. Недостатками являются: неудобный отсчет, запаздывание

показаний вследствие большой тепловой инерции, невозможность

автоматической регистрации и передачи показаний на расстоя-

ние, а также малая прочность.

§ 12. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Действие манометрических термометров основано на исполь-

зовании зависимости давления жидкостей или газов, помещенных

в замкнутый объем, от I

температуры. На рис. 29

показана одна из моделей

манометрического термо-

метра с контактами элек-

трической сигнализации.

Манометрический тер-

мометр имеет измеритель-

ный механизм пружинно-

го манометра. Внутренняя

полость манометрической

пружины герметично сое-

динена капиллярной труб-

кой с термобаллоном и

вся система заполнена ра-

бочим термометрическим

веществом.

При нагревании термо-

баллона рабочее вещество

Рис. 29. Монометрический термометр

с электрической сигнализацией

расширяется, что приводит к повышению давления в замкнутом

объеме термосистемы. Давление преобразуется манометрической

пружиной в перемещение стрелки указателя прибора.

Капиллярная трубка имеет внутренний диаметр 0,2—0,5 мм.

Для защиты от повреждений трубка заключается в чулок из

стальной или медной проволоки.

В измерительном механизме манометрического термометра

применяют одновитковые и многовитковые (рис. 30) трубчатые

пружины.

Манометрические термометры подразделяются на жидкост-

ные, паровые и газовые.

В жидкостных манометрических термометрах в качестве ра-

бочей жидкости используют ртуть, ксилол и метиловый спирт.

Рис. 30. Измерительный механизм манометрического

термометра ТПГ с винтовой трубчатой пружиной:

/ — винтовая трубчатая пружина, 2 — неподвижная опора,

3 — биметаллический компенсатор, 4 — кронштейн, 5, 6 и 7 —

детали регулировки положения стрелки, 8 — поводок стрелки,

9 — тяга, 10 — ось мостика стрелки, 11 — мостик стрелки, 12 —

ведущая ось

В паровых термометрах применяют жидкости, кипящие при

низких температурах (ацетон, бензол, хлористый метил и др.).

В газовых термометрах вся система заполнена инертным га-

зом (азот, гелий) под давлением выше атмосферного. При нагре-

вании термобаллона давление газа повышается.

« Шкалы жидкостных и газовых термометров равномерные,

у паровых термометров шкала неравномерная, так как давление

насыщенных паров не пропорционально температуре.

Погрешности рассматриваемого вида приборов возникают

вследствие влияния температуры окружающей среды и дополни-

тельного гидростатического давления от разности уровней распо-

ложения термобаллона и манометрической пружины.

Влияние температуры окружающей среды особенно сказы-

вается на жидкостных манометрических термометрах. Для умень-

шения этого влияния они снабжаются специальным компенсирую-

щим механизмом.

В паровых и газовых термометрах воздействие окружающей

температуры незначительно.

В газовых термометрах отсутствует погрешность от дополни-

тельного гидростатического давления, поэтому длина капилляра

у газовых термометров может достигать 60 м. У жидкостных

и паровых термометров длина капилляра не более 10 м.

Термобаллон изготовляют из стали или латуни, капиллярную

трубку —из меди или стали, манометрическую пружину — из

латуни. Применяемый материал зависит от свойств рабочей жид-

кости и измеряемой среды.

Погрешность для жидкостных и газовых термометров не пре-

вышает ±1,5%, а паровых термометров ±2,5%.

Максимальное допустимое давление внутри замкнутой си-

стемы манометрических термометров 60 кГ/см

Манометрические термометры могут быть снабжены сигналь-

ными контактами, устройствами для дистанционной передачи

показаний и устройствами для регистрации. Отсутствие электри-

ческих цепей позволяет применять их во взрывоопасной среде.

К недостаткам манометрических термометров относятся: малая

механическая прочность капиллярных трубок, инерционность,

сложность ремонта и монтажа.

§ 13. ПРИБОРЫ ДЛЯ РАБОТЫ С ТЕРМОПАРАМИ

Термопара (рис. 31) представляет собой соединение двух про-

водников, изготовленных из разных металлов. Эти проводники

называют термоэлектродами. Суще-

ствуют также термопары из полу-

проводниковых материалов.

При нагревании места соедине-

ния (спая) в нем возникает термо-

электродвижущая сила, величина

которой однозначно зависит от тем-

пературы нагрева. Почти любое со-

четание двух разных металлов дает

термоэлектродвижущую силу при

нагреве места соединения, однако

для практических целей пригодны

лишь немногие сочетания.

Материалы, подбираемые для

термоэлектродов, должны удовлет-

ворять определенным требованиям,

в том числе обладать неизменностью

свойств и химического состава при

Рис. ЗІ. Схема измерения тем-

пературы при помощи термо-

пары:

1 — горячий спай, 2 и 3 — термо-

электроды, 4 — холодные спаи (сво-

бодные концы), 5 — компенсацион-

ные провода, δ — гальванометр. 7 —

трубопровод с измеряемой средой,

8 —защитная гильза

рабочих температурах, достаточно высокой термоэлектродвижу-

щей силой, иметь близкую к линейной зависимость термоэлектро-

движущей силы от температуры и способность протягиваться в

проволоку. При этом проволоки, изготовленные из металла раз-

ных плавок, должны иметь одинаковые свойства.

Полностью этим условиям не удовлетворяет ни один из извест-

ных материалов. В зависимости от назначения термопары изго-

товляют из материалов, обладающих теми или иными качест-

вами.

Самые точные и стабильные термопары составляют из благо-

родных металлов: чистой платины и сплава платины и родия

(платинородий). Термопару платина — платинородий применяют

для точных лабораторных измерений и для технических измере-

ний в особо ответственных технологических процессах. Макси-

мальный предел измерения 1600° С.

Технические термопары из неблагородных металлов име-

ют меньшую стабильность характеристик, сравнительно низ-

кую предельную температуру, но обладают большой термо-

электродвижущей силой и значительно дешевле платиновых тер-

мопар.

Для технических измерений используют термопары: хромель—

алюмель (ΧΑ) и хромель — копель (ХК).

Иногда используют термопары медь — константан, медь — ко-

пель, железо — копель, которые не изготовляются в массовом

количестве.

Термопары заключают в защитную арматуру (рис. 32), кото-

рая предохраняет их от повреждения.

В табл. 4 приведены характеристики некоторых общеупотре-

бительных термопар, предусмотренных Государственным стан-

дартом.

Термоэлектродвижущая сила, возникающая в спае, очень ма-

ла, поэтому для работы в комплекте с термопарой используют

Рис. 32. Армированная термопара:

1— горячий спай, 2 — жароупорный наконечник, 3 — металличе-

ский чехол, 4 — фарфоровые изоляторы, 5 — головка термопары с

выходными зажимами

высокочувствительные измерительные прибо-

ры: милливольтметры магнитоэлектрической

системы и потенциометры.

Обычный магнитоэлектрический измери-

тельный механизм (рис. 33) состоит из посто-

янного магнита и подвижной рамки с обмот-

кой. На концах магнита закреплены полюсные

наконечники из стали. В пространстве между

полюсными наконечниками находится сталь-

ной цилиндр, отделенный от наконечников рав-

номерным воздушным зазором. Магнитные си-

ловые линии проходят из одного полюса маг-

нита в другой через полюсные наконечники,

воздушный зазор и стальной сердечник. Благодаря цилиндриче-

ской форме наконечников и сердечника удается получить равно-

мерный воздушный зазор с равномерно распределенным магнит-

ным полем.

Рис. 33. Магнитоэлектрический измерительный механизм:

1— магнитопровод, 2 — полюсные башмаки, 3 — рамка, 4 — сердеч-

ник, 5 — спиральная пружина, 6 — воздушный зазор, 7 — уравнове-

шивающие грузы, 8 — корректор, 9 — постоянный магнит, /0 —

стрелка

Таблица 4

Характеристики термопар при температуре свободных концов 0°С

(по стоградусной температурной шкале)

Температура горя-

чего спая. °С

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

Термоэлектродвижущая

платина — пла

тинородий (ПП|

0,64

1,42

2,31

3,24

4,21

5,21

6,25

7,32

8,43

9,57

10,74

11,95

13,15

14,36

15,56

16,76

хромель—алюмель

(ΧΑ)

4,10

8,13

12,21

16,39

20,64

24,90

29,14

33,31

37,36

41,31

45,14

48,85

52,41

—

сила, мв

хромель—ко-

пель (ХК)

6,95

14,65

22,90

31,48

40,15

49,00

57,75

66,40

—

В воздушном зазоре размещается прямоугольная рамка из

тонкого алюминия, обмотанная изолированным проводом. С обе-

их сторон по центру рамки установлены полуоси, на которых

рамка может вращаться в опорных подшипниках. Ось вращения

рамки совпадает с осевой линией сердечника. На оси рамки за-

креплена стрелка.

Для создания противодей-

ствующего момента установле-

ны две плоские спиральные

пружины из фосфористой брон-

зы. Внутренние концы пружин

закреплены на оси рамки. На-

ружный конец одной пружины

связан с неподвижным основа-

нием, а другой пружины —

с корректором. Пружины пред-

варительно закручены в разные

стороны. При повороте рамки

одна из пружин дополнительно

закручивается, а другая рас-

кручивается. Этим достигается

линейная зависимость противо-

действующего момента от угла

поворота рамки. Ток подводит-

ся через эти же пружины.

В магнитоэлектрических из-

мерительных механизмах вме-

сто спиральных пружин широ-

ко применяют ленточные рас-

тяжки или подвески. Подшип-

ники и оси рамки в этом случае

отсутствуют. Растяжки служат

как бы осью вращения рамки

и одновременно создают проти-

водействующий момент, закру-

чиваясь при повороте рамки.

Рис. 34. Измерительный механизм

с внутрирамочным магнитом:

/ — рычаг корректора, 2 — пружина, 3 —

рамка, 4 — магнитопровод, 5 — полюсные

накладки, в — зеркало, 7 — растяжка, 8 —

ограничитель, 9 — магнит

На рис. 34 показан магнитоэлектрический измерительный ме-

ханизм с внутрирамочным магнитом и креплением рамки на уп-

ругих нитях. Такая конструкция измерительного механизма весь-

ма компактна, технологична в производстве и нашла применение

во многих видах электроизмерительных приборов.

При прохождении тока через обмотку рамки возникает вра-

щающий момент, который получается как результат воздействия

магнитного поля на боковые стороны рамки. Под действием

этого момента рамка поворачивается до тех пор, пока противо-

действующий момент пружин не станет равным вращающему

моменту.

Вращающий момент магнитоэлектрического измерительного

механизма определяется следующим соотношением:

где М

вр

— вращающий момент;

І— сила тока в обмотке рамки;

В — магнитная индукция в зазоре;

S — площадь, ограниченная сторонами рамки;

ω — число витков обмотки рамки.

Противодействующий момент пружин выражается соотноше-

нием

где k — коэффициент упругой деформации пружин;

α — угол закручивания пружин (угол поворота рамки).

При равновесии действующего и противодействующего мо-

ментов

Угол поворота рамки, определяющий показание прибора, бу-

дет равен:

Величины В, S, ω, k постоянны для данной конструкции меха-

низма, поэтому угол отклонения стрелки пропорционален току

в рамке.

Из приведенного соотношения видно, что чувствительность

магнитоэлектрического измерительного механизма находится

в прямой зависимости от магнитной индукции в рабочем зазоре,

площади сечения и числа витков рамки, но в обратной зависи-

мости от жесткости противодействующего упругого элемента.

Магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу

и являются наиболее точными и чувствительными по сравнению

с приборами других систем.

Милливольтметр, предназначенный для работы с термопарой,

градуируется в соответствии с характеристикой термопары, для

которой он предназначен. Показания милливольтметра зависят не

только от характеристики термопары, но и от сопротивлений

всех участков измерительной цепи: термопары, соединительных

проводов и прибора. Чем больше сопротивление термопары и ли-

нии, тем меньше показания прибора при той же измеряемой тем-

пературе.

Пирометрические милливольтметры изготовляют в виде ука-

зывающих и самопишущих приборов, которые могут содержать

контактные устройства для простейших схем позиционного регу-

лирования температуры.

Самопишущий милливольтметр типа МСЩПр (рис. 35) пред-

назначен для измерения, записи и трехпозиционного регулирова-

ния температуры в одной точке. В приборе использован магни-

тоэлектрический измерительный механизм с внутрирамочным

магнитом и самопишущее устройство с падающей дужкой. При-

вод лентопротяжного и записывающего механизма осуществ-

Рис. 35. Самопишущий милливольтметр МСЩПр:

α — общий вид, б — устройство; 1 — измерительный механизм, 2 — красящие ленты, 3 —

фиксатор откидной фермы, 4 — сменные шестерни, 5 — барабан лентопротяжного меха-

низма, 6" — прижим, 7 — приемная катушка, 8 — защелка, 9— диаграмма, 10 — откидная

ферма, 11 — подающая катушка, 12 — планка с собачкой, 13 — прижим диаграммы, 14 —

рукоятка барабана, 15 — профильный кулачок, 16 — вал электродвигателя, 17— переклю-

чатель точек, 18 — профильный кулачок, 19 — храповик, 20 — указатель точек, 21 — основа-

ние, 22 — падающая дужка, 23 — кронштейн, 24 — кулиса

ляется с помощью двух синхронных электродвигателей типа

СД-2. В схеме регулирования (рис. 36) использованы фотосо-

противления и электромагнитные реле.

При достижении измеряемой температуры определенного зна-

чения, установленного задатчиком, флажок, укрепленный на

стрелке указателя, перекрывает световой поток от лампы нака-

ливания. Освещенность фотосопротивления резко уменьшается,

а его сопротивление возрастает. Последовательно с фотосопро-

тивлением включена обмотка реле. При увеличении сопротив-

ления ток, проходящий через обмотку реле, уменьшается и

контакты реле замыкают внешнюю цепь регулирования или сиг-

нализации.

Для осуществления трехпозиционного регулирования в при-

боре установлены два комплекта, состоящих из реле, фотосопро-

тивления и осветительной лампы. Флажок может перекрывать

то или другое сопротивление, а также находиться между ними.

В соответствии с этим возможно три различных состояния цепи

регулирования: замкнут один из контактов или оба контакта ра-

зомкнуты.

Самопишущие милливольтметры с падающей дужкой выпу-

скают также для измерения и записи температуры в шести точ-

ках. Подведенные к прибору термопары поочередно, через опре-

деленные промежутки времени подключаются к измерительной

схеме с помощью шеститочечного переключателя, связанного

с синхронным электродвигателем.

При измерениях температуры приборами с термопарами учи-

тывают дополнительные электродвижущие силы, которые возни-

кают в местах соединения свободных концов термопары с ли-

нией связи или с зажимами прибора. Значения этих электродви-

жущих сил находятся в зависимости от температуры окружаю-

щей среды, что вносит дополнительные погрешности в измерение.

С целью уменьшения этих погрешностей применяют специаль-

ные компенсирующие устройства и компенсационные провода

для линии связи между термопарой и измерительным прибором.

Компенсационные провода изготовляют из таких материалов,

которые при соединении дают такую же термоэлектродвижущую

силу, как и термопара (в пределах возможных изменений темпе-

ратуры свободных концов). Применение компенсационных про-

водов позволяет как бы «удлинить» термопару и «перенести» ее

свободные концы в зону сравнительно устойчивой температуры

окружающей среды, где обычно устанавливается вторичный при-

бор. При градуировке прибора учитывают температуру свобод-

ных концов и на шкале указывают значение температуры, при

которой будут правильны показания прибора.

Если в месте установки милливольтметра колебания темпера-

туры окружающей среды достаточно велики и приводят к недо-

пустимым погрешностям, то применяют отдельные компенсирую-

щие устройства. К числу таких устройств относится коробка

автоматической компенсации температуры холодных спаев тер-

мопары (рис. 37). Схема коробки питается от постороннего источ-

ника постоянного тока. Чувствительным элементом служит мед-

ное сопротивление, которое изменяется в зависимости от окружа-

ющей температуры. Остальные сопротивления схемы не зависят

от температуры. Коробка включается последовательно с термо-

парой. При изменении температуры изменяется значение медного

сопротивления и на выводах коробки появляется некоторое на-

пряжение, которое складывается или вычитается из термоэлект-

родвижущей силы термопары, компенсируя влияние термоэлект-

родвижущей силы холодных спаев.

Указывающие и самопишущие милливольтметры, несмотря

на простоту устройства, не всегда могут удовлетворить требова-

ниям эксплуатации в части точности измерения и устойчивости

к механическим помехам.