Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсаци­онный метод, рассмотренный в § 2.С

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невели­ко, для непосредственного измерения ее необходимы высокочув­ствительные милливольтметры, магнитоэлектрического типа. При­боры этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего мо­мента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков тонкого медного провода. Противодействующий мо­мент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредствен­но в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_в сопротивление милливольтметра, R_T — со­противление термопары, R_a — сопротивление соединительных про водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Е_ти,

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Е_ти, но и от сопротивлений R_B, R_t, R_n. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления R_t, и R_B уже учтены при градуировке. А со­противления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована

в милливольтах. Напряжение на его зажимах С учетом (10.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи из (10.3) термоЭДС

Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U_B(R_вн/R_н). Эта ве­личина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольт­метра R_B по сравнению с внешним сопротивлением R_вн. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавоч­ное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая . На практике при измерении температуры 0i холодный спай имеет . Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 8i. Необходимо вводить так называе­мую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколь­ко способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или по­мещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоля­цией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при . Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и меха­ническим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холод­ных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Измерительный прибор может нахо­диться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС.

Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения тер­мопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу прида­ют определенную расцветку, для чего используют оплетку из цвет­ном' пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяют компенсационные прово­да с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белы­ми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-нике-лгным сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК приме­няют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т. е. ком­пенсационными проводами могут быть и основные термо­электроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Е_Д, имостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение U_K, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений пода­ется на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) R_п до тех пор, пока напряжение U_к не сравняется с Е_Д. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_к=Е_Д напряжение на входе усилителя равно нулю (U_к— Е_Л =0) и электродвигатель (ЭД) оста­новится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_Л = [(Т°С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в "С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_К и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R₁—R₃, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивле­ния (например, из манганина), и терморезнстора R_K, изготовленно­го из материала с большим температурным коэффициентом сопро­тивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника по­стоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой эле­мент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Е_Д и одновременно меняется сопро­тивление Rк, что приводит к изменению компенсирующего напря­жения U_K нату же величину, на какую изменилось Е_Д. Следова­тельно, колебания окружающей температуры не изменяют показа­ний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление R_P служит для установки тока питания моста при разряде батареи (умень­шении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабоче­го тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемеща ет движок регулировочного резистора R_p, автоматически устанавли­вая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является рео­хорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

Глава 11 СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ

Назначение и принцип действия

Для измерения неэлектрических величин применяется и частотней метод, при котором измеряемая величина преобразует­ся в переменное напряжение, частота которого зависит от этой ве­личины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного вы­ходного сигнала не возникает дополнительной погрешности. Дей­ствительно, если выходным сигналом датчика является напряжение, то при передаче такого сигнала на расстояние происходит падение напряжения на проводах линии связи. Если выходным сигналом датчика является, например, сопротивление, то к нему добавляется сопротивление проводов линии связи. А в частотном методе изме­рения наличие сопротивления проводов линии связи и внутреннего сопротивления измерительного прибора не изменяют частоту сигна­ла. Еще одним достоинством частотного сигнала является удобство преобразования его в цифровой код. Это особенно важно в связи с развитием в последнее время цифровых измерительных приборов и применением в автоматике цифровых вычислительных машин.

Наибольшее развитие для преобразования неэлектрических ве­личин в.частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчика основан на зависимости собственной частоты ко­лебаний натянутой струны длиной и массой m от силы натяжения F:

Струнные датчики используются в приборах для измерения си­лы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, по­этому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь. Это обстоятельство существенно снижает погрешность измерения из-за механического гистерезиса и упругого последействия материала первичного пре­образователя.

Струнный датчик (рис. 11.1) состоит из струны /, возбудителя 2 и приемника 3. Одним концом струна жестко закреплена, а дру­гим концом соединена с первичным преобразователем, например

мембраной 4 на рис. 11.1. При из­менении давления Р изменяется си­ла натяжения струны. С помощью возбудителя 2, которым может быть электромагнит, струна выво­дится из состояния равновесия и начинает колебаться с частотой f , определяемой давлением Р. Прием­ник 3 преобразует перемещение струны с частотой f в электрический сигнал такой же частоты. В каче­стве приемника 3 может.использо­ваться индуктивный, емкостный или любой другой датчик. На практике

чаще всего применяют электромагнитный датчик. Дело в том, что он может попеременно выполнять функции то возбудителя, то при­емника. Когда на его обмотку подается напряжение, то он соз­дает электромагнитную силу притяжения струны и возбуждает ее колебания. А когда струна уже колеблется, то с этой же об­мотки снимается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний струны.

Струнные датчики используются в двух режимах: автогенера­торном и в режиме работы по запросу. В первом случае струна по­стоянно колеблется, а во втором — работает в более легких усло­виях, срок службы ее увеличивается и датчик получается несколь­ко проще.

Устройство струнных датчиков

Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежности струнных датчиков необходимо выбрать соответству­ющий материал струны. Этот выбор определяется как условиями применения датчика, так и способом возбуждения колебаний стру­ны. К материалу струны предъявляются следующие требования: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное зна­чение температурного коэффициента линейного расширения (либо малое, либо равное этому же коэффициенту конструкционного ма­териала датчика), независимость упругих свойств от времени и температуры.

Возможно применение как ферромагнитных, так и неферромаг­нитных материалов струны. При использовании ферромагнитной струны применяются электромагнитные возбудители колебаний. Под действием тока, протекающего по обмотке неподвижного электро­магнита, к струне прикладывается сила притяжения, выводящая ее из состояния покоя. При использовании неферромагнитной струны применяются магнитоэлектрические возбудители колебаний. При пропускании через струну тока она испытывает силу притяжения (или отталкивания) к полюсам постоянного магнита.

Наибольшее распространение в струнных датчиках с электро­магнитным возбуждением получили стальные струны из круглой рояльной проволоки диаметром 0,1—0,3 мм. При длине в 40—60 мм в таких струнах возбуждаются колебания с частотой 700—2000 Гц. В последнее время используются более гибкие и поддающиеся бо­лее надежному креплению стальные ленты толщиной 0,08—0,1 мм и шириной 1—2 мм. Частота колебаний стальной ленты достигает 3 кГц и выше. Стальные струны и ленты работают в режиме задан­ной длины. В этом режиме струна крепится к относительно более массивному упругому первичному преобразователю, изготовленно­му также из стали. Одинаковый температурный коэффициент ли­нейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность.

В режиме заданной длины струна очень чувствительна к неста­бильности крепления, а при использовании неферромагнитных струн обычно требуется изолировать хотя бы один из концов стру­ны, что ухудшает механическую стабильность крепления. Поэтому неферромагнитные струны обычно используют в режиме заданной силы. В качестве материала применяют бериллиевую бронзу, воль­фрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав. Струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так и ленточными. Другие материалы обычно используют в виде лент.

При выборе размеров струны исходят из следующих противо­речивых требований. При малой длине уменьшаются габариты дат­чиков, повышаются чувствительность и виброустончивость. Однако при этом увеличивается погрешность из-за несовершенства креп­ления и влияния собственной жесткости струны. Для обеспечения малой погрешности от собственной жесткости следует стремиться к выполнению условия //d , где / — длина струны, d — диаметр круглой или толщина ленточной струны. Обычно не ре­комендуется выбирать длину струны / менее 20 мм. Сечение стру­ны выбирается по требуемому пределу изменения натяжения и це­лесообразному механическому напряжению в струне. Например, для бронзы рекомендуется выбирать напряжение не более 0,5% от модуля упругости.

Конструкция и материал крепления струны играют первосте­пенную роль для обеспечения стабильности струнного датчика. При малых механических напряжениях (до 200 Н/мм²) более хорошие результаты дают способы крепления, показанные на рис. 11.2. Креп­ление с помощью винта (рис. 11.2, а) приводит к значительному смятию струны и ухудшению стабильности. Более хорошие резуль­таты дает крепление в щели (рис. 11.2, б). Ленточные струны за­крепляют между двумя хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями (рис. 11.2, в). Таким же способом можно крепить и круглые струны. Для высокоточных датчиков при­меняют более сложные конструкции крепления струны. Для снятия механических напряжений при установке крепления используют

температурное старение в виде нескольких циклов нагрева до 80— 100°С (по 4—8 ч каждый).

С помощью струнных датчиков возможно автоматическое из­мерение силы, давления, перемещения, ускорения, температуры и других неэлектрических величин. На базе струнных датчиков соз­даны также цифровые электроизмерительные приборы постоянного

и переменного тока. Диапазон изменения выходного сигнала — час­тоты— составляет 300—500 Гц. Для исключения помех промыш­ленной частоты стремятся увеличить минимальное значение часто­ты. Высокая частота облегчает и преобразование ее в цифровой код. Например, для получения погрешности дискретности счета, не превышающей 0,1%, при частоте в 1000 Гц достаточно произ­водить счет импулсьов выходного сигнала датчика в течение 1 с. Наибольшее распространение получили струнные тензометры. Рассмотрим схему измерения с помощью струнного тензометра (рис. 11.3, а). В корпусе 1 закреплена струна 2, начальное натяже­ние которой может устанавливаться с помощью регулировочного винта 3. Колебания струны возбуждаются с помощью электромаг-■ нита 4. Выходной сигнал приемника 5, в качестве которого исполь­зуется, например, электромагнитный трансформаторный датчик, из­меряется частотомером. В струнных тензометрах применяются стру­ны длиной 20—200 мм с начальным механическим напряжением 300—400 Н/мм² и максимальным до 800 Н/мм². С их помощью мо­жет быть обеспечена чувствительность измерения относительной

деформации в Ы0^-6.

На рис. 11.3, б показаны диаграммы напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита 4, и напряжения, сни­маемого с приемника 5 в режиме работы по запросу. Периодически посылаются сигналы запроса в виде одиночного им­пульса, а сигнал ответа имеет вид зату­хающих колебаний с частотой /, опреде­ляемой силой, приложенной к струне. Как следует из уравнения (11.1), эта зависимость имеет нелинейный характер.

С помощью некоторых конструктив­ных мер можно уменьшить эту нелиней­ность. Но в датчиках с одной струной довольно трудно обеспечить нелиней­ность меньше чем 2—3% от диапазона

изменения частоты.

Для увеличения точности преобразования и повышения линей­ности используют двухструнные дифференциальные датчики. Пре­образователь силы в частоту (рис. 11.4) состоит из двух струн

1 и 2, размещенных под малым углом друг к другу и натянутых с
силой 2F₀, создаваемой пружиной 3.

Пружина 4 уравновешивает начальное натяжение F₀ в струне 2. Измеряемая сила F, приложенная к рычагу 5, перераспределяет суммарную силу натяжения 2F₀, увеличивая натяжение F₂ струны 2 и уменьшая натяжение F₁ струны /. Под струнами 1 и 2 располо­
жены возбудители колебаний 6 и 7 и приемники колебаний 8 и 9.
Приемники подключены на вход усилителей 10 и 11, а возбудите­
ли— на выход этих усилителей. Напряжения с усилителей 10 и
I 1 с частотами соответственно fi и f₂ поступают на смеситель 12 и
фильтр 13, на выходе которого получается сигнал разностной час­
тоты Для уменьшения нелинейности струна, работающая
на укорочение, выбирается несколько большей длины

Глава 12 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Назначение.