книги / Теплотехнические измерения и приборы

Таким образом, на одно деление шкалы приходится

R’i-R'i

Замыкание цепей схемы во избежание вредного влияния само­ индукции (экстратоков размыкания) надо вести в такой последо­ вательности: сначала замкнуть кнопку источника питания Къ а затем нулевого прибора Ко] размыкание же их следует произво­ дить в обратном порядке.

Следует указать, что RT, определенное указанным выше спосо­ бом, является сопротивлением всего плеча моста ad. Оно состоит не только из сопротивления термометра, подлежащего изменению, но и из сопротивления соединительных проводов, с помощью кото­ рых термометр подключен к зажимам au d и включает сопротивле­ ния контактов между этими точками. Поэтому определение темпе­ ратуры по измеренному сопротивлению термометра без учета со­ противлений соединительных проводов может сопровождаться зна­ чительной дополнительной погрешностью.

Измерение сопротивления термометра неуравновешенным мо­ стом. Неуравновешенные мосты, применяемые для технических измерений температуры с помощью термометра сопротивления, имеют то преимущество перед уравновешенными мостами, что позволяют получать отсчеты показаний по шкале прибора без уравновешивания моста. Неуравновешенные мостовые измеритель­ ные схемы используются в измерительных преобразователях (гл. 8) для преобразования сопротивления термометра в напряжение, а также для других целей, рассматриваемых ниже.

На рис. 5-6-2 показана принципиальная схема неуравновешен­ ного моста. Здесь Rlf R2u R3— постоянные резисторы плеч моста; RT— сопротивление термометра; mV — милливольтметр с внутрен­ ним сопротивлением Ru] RK— контрольный резистор; П — пере­

ключатель, позволяющий включать либо термометр сопротивления (положение #), либо контрольный резистор (положение /<). Если при положении И переключателя П сопротивление термометра изменится, то через милливольтметр, включенный в измерительную диагональ моста, потечет ток и указатель его отклонится. Угол отклонения указателя милливольтметра, а следовательно, и сила тока будут тем больше, чем значительнее нарушено равновесие моста. Таким образом, устанавливается известная зависимость между отклонением указателя милливольтметра и сопротивлением термометра, позволяющая судить о температуре термометра, а сле­ довательно, и о температуре среды, в которой он находится.

Сила тока, протекающего через милливольтметр, выражается следующим уравнением:

(5-6-6)

где Д — R u (R t + R r) (R2 + R 3) + R 2R 3 (Rx -f- R T) -f- R iR T (R 2 +

+ Д3).

Из зтсго выражения видно, что ток, протекающий через милли­ вольтметр, пропорционален напряжению Uca на вершинах моста а и Ь. Вследствие этого для обеспечения правильности показаний прибора необходимо применять стабилизированный источник пи­ тания или поддерживать постоянное напряжение в точках с и d; для этой цели служит регулировочный резистор Ri, выполненный в виде реостата. Для обеспечения контроля напряжения предусмат­ ривается постоянный, не зависящий от температуры контрольный резистор RK, включаемый в схему моста вместо термометра сопро­ тивления с помощью переключателя П, Резистор RK обычно имеет

сопротивление, равное сопротивлению термометра, соответствую­ щему двум третям шкалы прибора и соединительных проводов. При включении RK указатель милливольтметра должен встать на контрольную отметку. Если напряжение Ucd мало, то указатель прибора не дойдет до контрольной отметки, а если велико, то ука­ затель ее перейдет. Для установления надлежащего значения Ucd, как упоминалось выше, пользуются реостатом Rr.

В настоящее время для питания неуравновешенных мостовых измерительных схем применяют стабилизированные источники пи­ тания (ИПС). Для уменьшения погрешности вследствие изменения

стемпературой сопротивления проводов, соединяющих термометр

смостом, применяют трехпроводную схему включения термометра

вмост, показанную на рис. 5-6-3. Здесь R„ — манганиновые ка­ тушки для подгонки сопротивления линии до заданного значения. Остальные обозначения соответствуют принятым выше. В этой схеме переключатель П и резистор RK служат для контроля исправности моста,

5-7. Логометры

Рассматриваемые ниже приборы магнитоэлектрической системы, называемые логометрами (от греческого слова «логос» — отноше­ ние), широко используются в практике технологического контроля для измерения и записи температуры в комплекте с те'рмометрами сопротивления. Кроме того, логометры могут быть использованы для измерения, записи и регулирования или сигнализации темпе­ ратуры. В этом случае они должны быть снабжены дополнительным регулирующим или сигнальным устройством. Логометры выпу­ скаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что температурная их шкала дей­ ствительна только для определенной Градуировки термометра сопро­ тивления и заданного значения сопротивления внешних соедини­ тельных линий. Логометры находят также применение для измере­ ния других величин, изменение значения которых может быть

преобразовано в изменение активного электрического сопротив­ ления.

Измерительный механизм логометров состоит из двух рамок, помещенных в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. При этом в отличие от пирометрических милливольтметров у логометров воздушный зазор между полюсами магнита и сердечником сделан неравномерным и соответственно непостоянна магнитная индукция в зазоре. Противодействующий момент у логометров создается, как и вращающий электрическим путем одной из его рамок, что является характерной особенностью этих приборов. Поэтому токопроводы к рамкам логометра по воз­ можности не должны создавать механического противодействующего момента, чтобы не оказывать влияния на положение равновесия, обусловленное вращающими моментами двух рамок.

Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магни­ том показана на рис. 5-7-1. В междуполюсном пространстве по­ стоянного магнита NS на общей оси' (двух кернах) укреплены две скрещенные и жестко связанные между собой рамки Rp и R'p, изго­ товленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в пределах рабочего угла в воздуш­ ном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечни­ ком цилиндрической формы, закрепленным, как и полюсные на­ конечники, неподвижно. Выточки полюсных наконечников сделаны также по окружности, но радиус этих выточек смещен по отноше­ нию к центру сердечника так, что воздушный зазор убывает от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция

возрастает приблизительно по квад­ ратичному закону от центра к краям полюсных наконечников. В приборах с таким измерительным механизмом при угле между рамками от 15 до 20° можно получить почти пропорцио­ нальную шкалу с центральным углом около 80—90°.

Рамки логометра включены таким образом, что их вращающие момен­ ты Мр и Мр направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам производится либо с помощью «безмоментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством

маломоментных спиральных волосков, изготовляемых из бронзовых сплавов. На приведенной схеме логометра Rx и Rs — добавочные манганиновые резисторы, a Rr — сопротивление термометра.

Как видно из рис. 5-7-1, ток от источника питания в точке а разветвляется и проходит по двум ветвям: через резистор Rx, рамку Rp и через термометр сопротивления RT, резистор R2 и рамку R'p. В точке b ветви сходятся, и дальше ток идет по одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкам Rp и Rp токов 1Х и Ii создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие мо­ менты соответственно Мр и Мр, направленные навстречу друг другу. Если Ri + Rp = Rz + R'p + RT, то Ix = I\ и при симмет­ ричном расположении рамок Rp и Rp относительно полюсных на­ конечников вращающие моменты Мр и Мр равны (рамки занимают положение, показанное на рис. 5-7-1).

Если сопротивление RT вследствие нагрева термометра возрас­ тает, то вращающий момент рамки Rp будет больше момента рам­ ки Rp, так как 1Х> 1\, и подвижная часть начнет поворачиваться по часовой стрелке, т. е. в направлении момента Мр. При этом рамка Rp с большим вращающим моментом попадает в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшается, момент же рамки R'p,

наоборот, будет увеличиваться. При определенном угле поворота вращающие моменты сравняются и рамки остановятся. Это произой­ дет при условии

или

(5-7-1)

где Вг и В[ — магнитная индукция в зонах расположения рамок Rp и Rp, Т; и п[ — число витков рамок Rpи Rp, Si и sj — площадь активной части рамок Rp и R'p, м2.

Полагая в уравнении (5-7-1), что

s1ni = slni,

получаем

Bih = B\I\

откуда

(5-7-2)

Учитывая, что значение отношения В\/В1 является функцией угла ср отклонения подвижной части, уравнение (5-7-2) можно представить в виде

(5-7-3)

или

(5-7-4)

Подставив в уравнение (5-7-4) значения

получим:

Так как Rp, Rp, Ri и R2 являются постоянными величинами, то

(5-7-5)

т. е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра является функцией измеряемого сопротивления термометра.

При выводе уравнения (5-7-5) не учитывались моменты, накла­ дываемые токоподводящими вводами, и трение. Если учесть эти моменты, трение и другие факторы, то изменения значения на­ пряжения и источника питания более чем на ± 15 —20% номиналь­ ного вызывает изменение показаний логометра.

В приборах с «безмоментными» вводами при выключенном на­ пряжении питания указатель может оставаться в любом месте шка­ лы и тем самым ввести в заблуждение при измерениях. Поэтому

впоказывающих логометрах ставят специальный электромагнит­ ный возвратитель, благодаря которому указатель смещается только

втом случае, когда к прибору подведено напряжение.

В логометрах, выпускаемых в настоящее время, подвод тока к рамкам осуществляется с помощью маломоментных спиральных волосков, которые одновременно служат и для возвращения стрелки в исходное положение при выключенном источнике питания. В этом случае изменение напряжения питания на ±10% номинального (4 В) вызывает изменение показаний, обычно не превышающее предела допускаемой основной погрешности логомера. Для повы­ шения точности измерения с помощью логометра желательно при­ менять для питания его стабилизированный источник напряжения.

Основным недостатком рассмотренной дифференциальной лого­ метрической схемы, применяемой в комплекте с высокоомными тер­ мометрами, является то, что для уменьшения температурной по­ грешности прибора приходится включать последовательно с рам­ ками манганиновые резисторы с большими сопротивлениями Ri и R2. Вследствие этого логометры с такой измерительной цепью обладают меньшей чувствительностью по сопротивлению по сравнению с при­ борами с мостовыми логометрическими схемами. Применяемые мо­ стовые схемы с логометром в качестве измерителя можно разделить на две основные группы, а именно несимметричные и симметричные. Логометры с несимметричной мостовой цепью не нашли широкого применения и ниже рассматриваться не будут.

В принципиальной схеме логометра с симметричной мостовой цепью, получившего широкое применение (рис. 5-7-2), сопротивления резисторов симметричных плеч моста равны между собой, т. е. R2 — RB, a Ri = RT при сопротивлении Rt термометра, примерно равном среднему значению измеряемой температуре по шкале логометра. Если Ri = RJt то потенциалы точек e n d одинаковы (благодаря симметрии схемы), а токи / р и / р, протекающие в рам­ ках Rp и Rp, равны и противоположны. При увеличении сопротив­ ления RT термометра потенциал точки с понижается, а потенциал точки d повышается. Соответственно ток Гр уменьшается, а ток / р увеличивается. Когда сопротивление термометра уменьшается, ток Гр увеличивается, а ток / р уменьшается. Таким образом, при изменении сопротивления термометра происходит одновременное изменение токов в обеих рамках логометра. Изменения этих токов имеют разные знаки, благодаря этому чувствительность такой схемы выше, чем у несимметричной схемы.

На рис. 5-7-3 схематично показаны два варианта конструкций измерительных механизмов логометра, применяемых с симметрич­ ной мостовой цепью. В механизме, показанном на рис. 5-7-3, а, воздушный зазор убывает, а магнитная индукция возрастает по квадратичному закону от центра к краям полюсных наконечников.

A = R t ( Я + Я р + К О + Я ( R P +

Разделив уравнение (5-7-7) на (5-7-8), получаем выражение для отношения токов в рамках логометра

из которого следует, что при изменении температуры прибора возникает допол­ нительная температурная погрешность, вызываемая изменением сопротивлений рамок логометра и соответственно изменением значения отношения токов в рам­ ках. Однако при равновесии моста, когда R i = R it и одинаковом изменении со­ противлений рамок логометра под влиянием температуры отношение токов /р//р не изменяется и остается равным единице. При нарушении равновесия моста

логометр меняет свои показания с изменением температуры, и погрешность при­ бора может превышать допускаемые пределы. Для уменьшения дополнительной температурной погрешности прибора обычно часть резистора R'A изготовляют из меди, а часть из манганина. Обозначим часть резистора R \, изготовляемую из меди через R 4 и часть, изготовляемую из манганина, через /?5. Тогда при темпе­ ратуре t , отличной от температуры градуировки (/20= 20 С), сопротивление а 4 равно

сопротивление рамок R и R ' при температуре>е t определяетсяели по формуле

где /?20 — сопротивление рамок при t2o — 20°С, Ом; а — температурный коэффи­

циент электрического сопротивления меди, °С“1.

Подставляя выражения (5-7-10) и (5-7-11) в уравнение (5-7-9), после преобра­ зований получим:

то отношение токов не будет зависеть от окружающей температуры. Выражение (5-7-14) обычно называют условием температурной компенсации. Подставляя в формулу (5-7-14) значения (5-7-13) и решая относительно R 4, получаем:

я20 [Я 8 (2ЯТЯ — Я?— 2 К ,Я + Я ? ) + Я , ( Я , - Я Д

Я (Щ-Щ)

К20ГК5(2/?+Ят+/?1)+£21 (5-7-15)

R ( R T + R I )

Поскольку в уравнение (5-7-15) входит сопротивление термометра R r , то пол­ ную компенсацию температурной погрешности с помощью резистора R 4 можно получить только в однойточке, несчитаяслучая, когдасхема мостауравновешена. Однако температурная погрешность в точках, где не обеспечивается компенсация, значительно меньше той погрешности, которая была бы при отсутствии медного резистора R ti. Например, для выпускаемыхлогометров класса 1,5 изменение пока­ заний прибора, вызванное изменением температуры окружающего воздуха от нормальной (20zh 5°С) до любой температуры в пределах от 5до 50°С, недолж­ но превышать ±0,75% нормирующего значения измеряемой величины на каждые 10СС. За нормирующее значение принимают разность конечных значений диапа­ зона измерений. Нормирующее значение и диапазон измерения выражаются веди­ ницах сопротивления.

Рассмотренные выше схемы логометров не исчерпывают всех возможных вариантов, но являются типовыми для этой группы приборов, применяемых в комплекте с терхмометрами сопротивле­ ния и реостатными передающими преобразователями (гл. 8).

Рассмотрим схему логометра типа Л-64 класса точности 1,5, в основу устрой­ ства которого положеныописанная вышесимметричная мостовая логометрическая схема (рис. 5-7-2) и измерительный механизм с внутрирамочным магнитом (гл. 4). Эта схема ис­ пользуется также в логометрах типа ЛПр с измери­ тельным механизмом, показанным на рис. 5-7-3, а.

Принципиальная электрическая схема логометра типа Л-64 (или ЛПр) с подключенным к нему по трехпроводной схеме термометром сопротивления приведена на рис. 5-7-4. Назначение резисторов мо­

3 и 4) соответствуют принятым номерам зажимов на крышке логометра ЛПр.

Логометры Л-64 и ЛПр рассчитаны на подклю­ чение к ним термометров сопротивления как по двухпроводной, так и по трехироводной схемам при определенных значениях сопротивления внеш­ них соединительных линий R a. Номинальное значе­ ние сопротивления линий R л, соединяющих лого-

метры с термометрами, установлено равным 5 (или 15) Ом и указывается на его циферблате. Заданное значение сопротивления линии обеспечивается с помощью двух катушек Я' и /?", включенных симметрично в оба плеча моста. Сопротив­

ление каждой подгоночной катушки составляет 0,5 Ял с допускаемым отклоне­ нием от номинала не более +5% от /?л.

Подгонка сопротивления линии при трехпроводной схеме включения термо­ метра (рис. 5-7-4) осуществляется раздельно для левого и правого проводов с по­ мощью катушек /?' и R ". Измерение сопротивления каждого провода и соответ­

ствующей катушки прн подгонке производится переносной поверочной установ­ кой типа ППУ-55 или переносным мостом, погрешности измерения которых не должны превышать =Ь0,2% измеряемой величины.

При двухпроводной схеме включения термометра провод ab присоединяют к зажиму с (рис. 5-7-4), и подгонку сопротивления двух проводов линии до значе­ ния 2,5 (или 7,5) Ом осуществляютс помощью однойкатушкиR ". При двухпровод-

ной схеме включения термометра катушка У?' оказывается включенной последо­

вательно с плечом R i. Отклонение сопротивления этой катушки от номинального (2,5 или 7,5 Ом) не должно превышать ±0,01 Ом.

Для периодической поверки правильности показаний логометра в условиях эксплуатации предусмотрена контрольная катушка R K (рис. 5-7-4), сопротивление которой R K равно сопротивлению термометра при температуре, соответствующей контрольной отметке на шкале прибора. При проверке логометра предварительно отключают источник питания и после этого закорачивают зажимы в головке тер­ мометра, а конец провода, присоединенный к зажиму 2 , переключают на зажим 4 . Выполнив эти операции, подключают источник питания; при исправном приборе его стрелка должна установиться на красную контрольную черту, расположен­ ную примерно на середине шкалы.

По внешнему виду и устройству корпуса логометр типа Л-64 не отличается от профильного пирометрического милливольтметра типа М-64, показанного на рис. 4-1Ь8. Логометр Л-64, так же как и прибор М-64, предназначается для утоп­ ленного монтажа на щите.

При определении погрешности измерения температуры логометром в комплекте с термометром сопротивления необходимо иметь в виду, что предел допускаемой основной погрешности и изменение показаний логометра под действием влияющих величин в пределах нормированной области их значений выражаются как приведенные погрешности в процентах нормирующего значения измеряемой величины, а максимальное допускаемое отклонение от градуиро­ вочной таблицы термометра сопротивления нормируется в виде абсолютной погрешности (табл. 5-2-1).

При оценке погрешности измерения необходимо также учиты­ вать, что температура чувствительного элемента термометра по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды (гл. 6).

При измерении температуры термометром сопротивления в ком­ плекте с логометром возможны погрешности от изменения сопро­ тивления внешней соединительной линии или вследствие неточной ее подгонки. Значение дополнительной погрешности при трехпроводнсй схеме включения термометра, обусловленной изменением сопротивления линии под влиянием изменения температуры окру­ жающего воздуха, можно определить с помощью упрощенной фор­ мулы

(5-7-16)

где а — температурный коэффициент электрического сопротивле­ ния меди; t — средняя температура окружающего воздуха вдоль линии; t2о — температура, соответствующая градуировке (^0 =■ = 20°С).

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Если мост уравновешен, то при правильней подгонке сопротивления линий Дл = 0.

Следует также отметить, что изменения показаний логометров могут быть вызваны наличием внешних магнитных полей, а также