Волковой М.С. Метрология

231

↓U12 = i1(R4 + Rpℓx/ℓp) – i2 Rt↑,

откуда следует, что при правильном выборе номинала термистора можно выполнить условие ∆U=↓U12 – Et↓= 0 и исключить влияние разогрева холодных спаев термопары на точность измерения температуры.

Расчет Rt:

EТП UK ;

UK i2 RM i2RM0 (t2 t0 );

EТП tg (t2 t0 );

tg (t2 t0 ) i2RM0 (t2 t0 );

tg

Rt i2 .

При равенстве Eтп = Uк регистрируется температура на диаграммной бумаге в декартовой системе координат. При этом ток в цепи термопары отсутствует, что значительно повышает точность измерения термоЭДС. Реверсивный двигатель остановится, измерительная каретка Uк укажет температуру объекта и зарегистрирует ее на диаграммной бумаге. Если прибор многоточечный, далее произойдет отключение первой термопары и подключение следующей. Прибор работает автоматически, измеряя и регистрируя сигналы до 12 термопар. В конструкцию электронного потенциометра встраиваются дополнительные устройства для регулирования температуры объекта и для преобразования термоЭДС в нормированный сигнал ГСП. Изменение сопротивления дополнительных проводов, сопротивления термоэлектродов самой термопары не влияет на точность измерения. Приведенная погрешность измерения и регистрации уменьшается до 0,25 %.

3.3.6. Измерительные цепи с терморезистором и ненормированным выходным сигналом

Измерительные цепи терморезисторов обычно строят на основе неуравновешенных мостов и логометров, уравновешенных мостов или используя преобразование сопротивления в напряжение.

233

Необходимо с каждой катушки отмотать проволоку сопротивлением (2,5 – 1) = 1,5 Ом. Тогда суммарное сопротивление линии Rл = 3 + 1 + 1 = 5 Ом. Погрешность от изменения сопротивления линии при изменении температуры окружающей среды компенсируют с помощью трехпроводной линии, показанной на рис. 3.75.

2

rК

RТС rЛ2

2|

Рис. 3.75. Схема моста с трехпроводной линией

Провод питания отсоединяют от узла моста 2 и присоединяют к датчику в точке 2'. При этом включении в новом плече 1–2' остался один провод линии Rл1, а Rл2 переключился в новое плечо 2'– 3. Два провода линии оказались включены в соседние плечи моста. При одинаковом изменении сопротивлений в соседних плечах моста выходное напряжение не изменится. Выходное напряжение неравновесного моста будет линейно зависеть от изменения сопротивления Rтс

Uвых = kUп Rтс.

Мультипликативная погрешность устраняется контролем питающего напряжения моста. Терморезисторы выпускаются с тремя (четырьмя) выводами для монтажа трехпроводной линии. Совмещение измерительного моста с измерительными катушками, расположенными перпендикулярно друг другу, с целью исключения мультипликативной погрешности от изменения питания измерительного моста образу-

ет логометр, показанный на рис. 3.76. Расчетные формулы:

I1 = Uп/R = k1Uп; I2 = k2Uп∆Rt;

234

Поскольку любой из токов I1 и I2 зависит от напряжения одинаково, изменение напряжения питания не влияет на положение магнитоэлектрической головки логометра. Мультипликативная погрешность в данном приборе отсутствует. Аддитивная погрешность в приборе устраняется подключением датчика температуры с помощью трехпроводной линии и введением корректирующих резисторов.

К неуравновешенным мостам относится схема промышленного логометра, приведенная на рис. 3.77. Обе рамки логометра включены в измерительную диагональ неуравновешенного моста. Угол поворота подвижной части логометра зависит от соотношения токов, протекающих по входным катушкам прибора. Поэтому показания логометра не зависят от нестабильности напряжения питания.

Присоединение термометра Rтс к логометру производится по трехпроводной линии. На шкале логометра наносится градуировка (Гр21, П50 и др.), указывающая, какой термометр можно подключать.

rКRк

RRтсТС

2'|

Рис. 3.77. Схема промышленного логометра

В режиме измерения все перечисленные погрешности компенсированы, кроме методической погрешности, связанной с дебалансом моста в момент измерения температуры. В стационарных приборах методическая погрешность отсутствует из-за применения уравновешенного моста.

Автоматический уравновешенный мост

Структурная схема устройства представляет следящую измерительную систему, где случайной величиной является изменение температуры на объекте (рис. 3.78).

235

Рис. 3.78. Структурная схема уравновешенного моста

Реохорд – динамический потенциометр, исключающий разрыв электрической цепи при быстром перемещении движка, предназначенный для уравновешивания измерительного моста.

Напряжение с выходной диагонали моста подается на усилитель. На выход усилителя подключена управляющая обмотка реверсивного двигателя (РД). На обмотку возбуждения подведено переменное напряжение через конденсатор С. РД вращается только при появлении напряжения на обмотке управления. Если фазы напряжений управляющей обмотки и обмотки возбуждения совпадают, то РД вращается по часовой стрелке, если нет – против часовой стрелки. В момент измерения мост должен быть уравновешен: U = 0.

Настройка измерительного моста выполняется с помощью резистора R1 для сдвига шкалы вправо или влево, резистора Rп для растяжения и сжатия шкалы. При изменении температуры на объекте изменяется сопротивление Rтс, что выводит измерительный мост из равновесия. На выходе моста появляется напряжение U, не равное нулю, которое усиливается и подается на управляющую обмотку РД. Вал двигателя начинает вращаться и перемещать движок реохорда до тех пор, пока рассогласование U не станет равным нулю. Движок реохорда займет новое положение, соответствующее измеренной температуре, а стрелка укажет значение температуры на объекте по шкале N. Устройство также запишет номер датчика и температуру на объекте на ленту. Регистрирующая часть схемы приведена на рис. 3.78.

Часто один мост работает с несколькими датчиками температуры через коммутатор К. УН – усилитель; ВМ – входной мост; терморезисторы Rt1,Rt2,...; СД – синхронный двигатель.

236

Коммутатор К переключается от СД. Вал РД связан с реохордом и с печатающей кареткой. Графики изменения температуры регистрируются различными знаками. На рис. 3.79 приведена упрощенная схема моста.

Rтс

Рис. 3.79. Упрощенная схема моста

Мост имеет дополнительные функции для двухпозиционного и трехпозиционного релейного регулирования температуры объектов, дистанционную передачу показаний, преобразование измерительного значения температуры в токовый сигнал 4–20 мА или напряжение 0–1 В и др.

3.3.7. Пирометры

Пирометры служат для бесконтактного измерения температуры объектов с безопасного расстояния. Они применяются для контроля температуры горячих, движущихся, вибрирующих, вредных, опасных или труднодоступных объектов. Существуют:

–пирометры полного излучения (радиационные);

–пирометры частичного излучения (яркостные);

–цветовые пирометры.

Радиационные пирометры (РАПИР)

Радиационные пирометры измеряют полное излучение во всех частях спектра. На рис. 3.80 показана оптическая схема и чувствительный элемент радиационного пирометра.

237

Экран

Рис. 3.80. Радиационный пирометр: 1 – нагретое тело, объект; 2 – объектив; 3 – чувствительный элемент (батарея термопар); 4 – окуляр; 5 – наблюдатель

Визуально направляется трубка (ТЕРА-50) на нагретое тело. При этом излучение фокусируется на чувствительном элементе (батарее термопар, горячие спаи которых располагаются на пластине из зачерненной платины).

Такой пирометр применяется для измерения температуры от 600 °С до 2 500 °С. Приведенная погрешность 1 %.

Охлаждение ТЕРА-50 водяное – для стабилизации температуры холодных спаев батареи термопар, также применяют медную термокомпенсацию.

Погрешность:

1. Погрешность от неполноты излучения.

Коэффициент неполноты излучения может меняться 0,04–1. Пирометры градуируются по типам поверхностей, т.е. в соответст-

вии с коэффициентом неполноты. 2. Расстояние до объекта.

Интенсивность излучения зависит от квадрата расстояния, чем больше расстояние, тем меньше излучение. Обычное расстояние: (1,5–4,0) м.

3. Погрешность среды. Излучение частично поглощается окружающей средой.

Яркостные пирометры

Яркость поверхности объекта сравнивается с поверхностью образцового излучателя в видимой (узкой) части спектра.

Большое значение будет иметь коэффициент неполноты излучения в данном диапазоне. Показания не зависят от расстояния до объекта.

238

Яркостный пирометр с исчезающей нитью (ОППИР)

На рис. 3.81 показан яркостный пирометр с исчезающей нитью. Он применяется

для измерения температур 800–1 500 °С. Наблюдатель направляет трубу пиро-

метра на объект и видит нить. Регулируя ток нагрева нити, он изменяет яркость свечения нити.

Если яркость нити выше, то будет светящаяся нить на фоне темного объекта. Если яркость нити равна яркости объекта, то контуры нити будут размыты. В этот момент температура считывается по шкале амперметра. Шкала прибора нелинейная из-за не-

линейной зависимости тока нагрева нити от яркости ее свечения.

Яркостный пирометр с оптическим клином

На рис. 3.82 показан яркостный пирометр с оптическим клином.

Особенности: пирометр имеет высокую точность, т.к. яркость растет быстрее, чем температура. Поэтому измерение яркости с точностью 1 %, обеспечивает точность измерения температуры – 0,1 %. Клин увеличивает диапазон измеряемых температур. Показания прибора необходимо умножать на коэффициент поглощения клина.

Цветовые пирометры

Цветовые пирометры измеряют интенсивность излучения в разных частях спектра с помощью красного и синего фильтров. На рис. 3.83 показан цветовой пирометр.

Рис. 3.83. Цветовой пирометр

239

На вращающемся диске расположены синие и красные цветофильтры, которые чередуются между собой. При вращении диска потоки коммутируются на один канал, сигнал с выхода фотоэлемента усиливается и подается на микроЭВМ, в которой рассчитывается температура нагрева объекта (по Кельвину) с помощью формулы

где J 1 – интенсивность излучения на волне 1; J 2 – интенсивность излучения на волне 2.

Принцип действия современных пирометров следующий. Оптическая система пирометров, наведенная на выбранный для измерения объект, фокусирует излучаемую им инфракрасную энергию на один или несколько фоточувствительных детекторов. Детектор преобразует инфракрасную энергию в электрический сигнал, который обрабатывается микропроцессором и пересчитывается в значение температуры на основе калибровочных характеристик и коэффициента излучения датчика. Это значение температуры может выводиться на цифровой дисплей пирометра, или быть представлено в виде аналогового сигнала, или, в случае интеллектуального датчика, преобразовываться в цифровой выходной сигнал и с использованием прикладного программного обеспечения отображаться на дисплее компьютера.

К другим пирометрам можно отнести одноцветные оптоволоконные пирометры серии Marathon Fa1/Fa2, оптоволоконные пирометры спектрального отношения серии Marathon FR1, Marathon MR1S, переносные пирометры ST2 серии MX, Raynger 3i, универсальную систему измерения температуры TERMALERT GD, датчики серии TERMALERT TX и т.д.

3.4. Методы измерения давления жидких и газообразных веществ

3.4.1. Виды измеряемых давлений, единицы измерения

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода количества тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов.

Давлением Р называют отношение F/S действующей перпендикулярно к поверхности тела силы F к площади S этой поверхности.

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух базовых уровней, показанных на рис. 3.84:

240

–уровня абсолютного вакуума (абсолютного нуля давления) – идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды;

–уровня атмосферного (барометрического). Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (DА). Барометрическое давление (DБ) – это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, называют соответственно избыточным (DИ), или давлением разряжения, и вакуумметрическим (DВ). Очевидно, что DА = DБ + DИ. При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или в двух точках одного процесса ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением (DD).

DD = DU1 – DU2 = DA1 – DA2

DA1 DA2

Абсолютный

вакуум

Рис. 3.84. Уровни базовых давлений

В международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 г., единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади – м2. Отсюда определяется производная единица измерения давления – паскаль (Па = 1 н/м2) и ее разновидностей: килопаскаль (1 кПа = 103 Па), мегапаскаль (1 МПа = = 106 Па). Наряду с системой СИ в области измерения продолжают использоваться единицы и других систем единиц. Так, единица кгс/см2 получила название технической (метрической) атмосферы (ат). На практике используется внесистемная единица как физическая или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной погрешностью не более 0,5 % полезно использовать следующие соотноше-

ния: 1 ат = 1 кгс/см2 = 0,97 атм = 104 мм вод. ст. = 735 мм рт. ст. = 0,98·105 Па = 0,98 бар.

Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для диапазона 1–100 кПа избыточных и разностных давлений используется в качестве первичного эталона ртутный 2-трубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска (погрешность считывания не более 10-3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том