Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ГЛАВА III. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВЕЛИЧИНРегулирование тепловых величин, к которым в первую очередь относятся температуры самых различных веществ и тел, находит широкое применение в самых различных областях техники. Системы автоматического управления многими объектами и процессами основаны на измерении их тепловых параметров—температур. Разнообразие условий и широкий диапазон измеряемых температур (табл. III.1) обуславливают применение различных методов измерения и использование различных чувствительных элементов. Наиболее низкая температура, полученная до настоящего времени, составляет Таблица III.1 (см. скан) температур. Такими термометрами являются: газовый термометр (воспроизводит термодинамическую температуру в области от 1063°С до 10° К); термометр, основанный на использовании скорости звука в газообразном гелии (от 10° К до 4,2° К), а также термометр, основанный на измерении упругости насыщенных паров гелия (от 4° К до 1° К). Все перечисленные выше устройства имеют сложную конструкцию и большую инерционность. Поэтому, хотя эти приборы и позволяют измерять температуру с высокой точностью, они не применимы в автоматических системах. В системах автоматического управления и регулирования в качестве измерителей температуры используются исключительно вторичные термометры. Основными характеристиками термометров всех типов являются чувствительность, точность, инерционность. 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВАК термоэлектрическим измерительным устройствам условно можно отнести все измерительные устройства, применяемые в автоматических системах, основанные на преобразованиях тепловой энергии в электрическую. Входными параметрами таких измерительных устройств являются тепловые, а выходными — электрические. Высокие требования, предъявляемые к точности измерений температур, делают необходимым применение в схемах измерительных устройств кроме чувствительных элементов также усилителей и нередко вторичных преобразователей. При этом чувствительные элементы служат для восприятия изменений регулируемой температуры и преобразования этих изменений в соответствии с тем или иным заложенным в них физическим принципом в электрические сигналы. При высокой точности измерений получаемый уровень этих первичных электрических сигналов недостаточен для непосредственного использования в автоматических системах и требует усиления. Вторичные преобразователи используются в целях согласования вышеуказанных сигналов с типовыми входными устройствами управляющих и регулируемых систем. Такой принцип построения термоэлектрических измерительных устройств позволяет свести их рассмотрение к нескольким наиболее целесообразным обобщенным схемам. Рассматриваемые ниже различные чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом обычно включаются в мостовую уравновешивающую цепь (рис. III. 1), являющуюся входным элементом блока усиления и преобразования. Выбор
Рис. III. 1. Схема включения чувствительного элемента в мостовую уравновешивающуюся цепь: П — преобразователь, У — усилитель, элементов уравновешивающей цепи производится исходя из требуемой чувствительности и точности. Чувствительность по току
Чувствительность по напряжению
где
Рис. III.2. Схема термоэлектрического измерительного устройства с термометром сопротивления и электронным усилителем: Поскольку
необходимо минимизировать величину
Отсюда условие выбора мостовой схемы будет иметь вид
На рис. III.2. представлена схема термоэлектрического измерительного устройства с электронным усилителем типового выполнения. Для преобразования постоянного напряжения, поступающего с моста, служит вибропреобразователь В. Последующее усиление электрического сигнала, огибающая которого содержит информацию об измеряемом параметре, осуществляется в первых каскадах реостатно-емкостного усилителя УН. Коэффициент усиления достигает 105. Выход усилителя мощности УМ подключается к управляющей обмотке двухфазового асинхронного электродвигателя, который перемещает движок компенсирующего разбаланс моста реохорда. К валу электродвигателя может быть также присоединен и вторичный преобразователь в виде дополнительного реохорда для электрических систем управления или в виде соответствующего пневматического или гидравлического преобразователя в соответствии с применяемой системой управления.
Рис. III.3. Схема термоэлектрического измерительного устройства с полупроводниковым усилителем: На рис. III.3 приведена схема термоэлектрического измерительного устройства с малогабаритным усилителем. Использованный в схеме тензометрический мост повышает надежность работы всего устройства. Отсутствие в нем контактов способствует также увеличению точности измерений за счет меньшего уровня шумов. При этом применен полупроводниковый усилитель с обратной связью по скорости электродвигателя, что способствует повышению стабильности его коэффициента усиления и помехозащищенности. Чувствительность усилителя составляет Металлические термометры сопротивления используются для измерений средних и низких температур. Они применяются при точных измерениях температур в диапазоне от абсолютного нуля и до 1000° С. Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла определяется по формуле
где с — заряд электрона;
Удельное сопротивление металлов достаточно мало,
Рис. III.4. Характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления: 1 — медь В настоящее время в промышленности нормализованы только термометры сопротивления из платины и меди
где Из этой формулы следует, что с увеличением сопротивления чувствительность возрастает. Однако существует оптимальное значение сопротивления, зависящее от условий работы. Термометр сопротивления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0,001° С. Для получения такой точности измерения температуры необходимо измерять сопротивление с точностью не ниже Полупроводниковые измерители температур. Сопротивление полупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. Это можно объяснить следующим. Электропроводность полупроводникового элемента описывается формулой
где
При понижении температуры числа
где А и В — постоянные. Таблица III.2 (см. скан) Параметры некоторых термосопротивлений Это является большим недостатком термисторов. На рис. II 1.5 приведены зависимости удельного сопротивления от температуры для платины, серебра, германия с небольшим количеством примесей, а также для термистора. Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивление полупроводниковых материалов может возрастать на несколько порядков при небольшом даже понижении температуры. Промышленность в настоящее время выпускает следующие типы термисторов:
Рис. III.5. Кривые зависимости удельного сопротивления от температуры: 1 — серебро; 2 — платина; 3 — германий; 4 — термистор что термометр в виде электропроводящего слоя на стекле позволяет измерять температуру в диапазоне от 1 до 300° К. Следует указать, что при низких температурах сопротивление полупроводника зависит от магнитных полей. Методы измерений, применяемые при полупроводниковых чувствительных элементах, не отличаются от применяемых при металлических. Элементарные полупроводники. При низких температурах (вблизи от 1° К) наиболее удовлетворительные результаты можно получить с полупроводниковыми элементами из кристаллов германия и кремния. Однако в настоящее время нет никакой универсальной формулы, удовлетворительно описывающей зависимость сопротивления полупроводника от температуры.
Рис. III.6. Характеристики полупроводниковых и угольных термометров: а — характеристика термометра — германиевый диод при постоянном измерительном токе; При измерениях низких температур необходимо учитывать, что сопротивление этих термометров изменяется пропорционально квадрату магнитного поля. Кроме того, германиевые термометры необходимо защищать от действия светового потока. На рис. III.6, а приведена характеристика германиевого диода при постоянном измерительном токе. Угольные термометры. Для измерений температур применяют также угольные термометры сопротивления, имеющие высокое удельное сопротивление и большой отрицательный температурный коэффициент. Они изготовляются из графита и углей. При низких температурах графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, зависящий от содержания примесей и от величины кристаллических зерен. Для чистого графита величина удельного сопротивления ниже 1° К. Применяются термометры, изготовленные в виде взвесей графита в воде, спирте и других веществах, однако их характеристики воспроизводятся только при температурах жидкого водорода или ниже. В настоящее время для измерений низких температур используются промышленные угольные радиотехнические сопротивления, однако различные типы сопротивлений имеют отличные характеристики. Эмпирически получена зависимость сопротивления от температуры в виде
где R — сопротивление в омах;
Термопары. Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из различных материалов. При наличии разности температур на концах (спаях) термопары, между ними возникает электродвижущая сила. Концы термопары, присоединяемые к усилителю, называются холодным спаем, а присоединенные к объекту, температуру которого измеряют, — горячим. Горячий спай термопары может быть выполнен небольших размеров, что делает термопару удобным чувствительным элементом при измерениях температур в ограниченных объемах. Малый размер способствует и уменьшению ее постоянной времени. Диапазон температур, в котором применяются термопары, достаточно велик: от 0° К до 1600° С и выше. Характеристики термопары наиболее подходят для измерений температур до 1000° С. В этом интервале температур по точности термопары уступают только термометрам сопротивления и газовым термометрам. Свыше 1000° С они более надежны, чем другие термометры, и лишь при температурах выше Чувствительность термопары определяется по формуле
где Е — выходное напряжение термопары; Т — температура горячего спая (если холодный находится при 0° С); постоянные А, В и С зависят от материалов термопары. Таблица III.3 Характеристики некоторых термопар
Рис. III.7. Градуировочные кривые некоторых термопар: Приближенные значения чувствительности для термопар, образованных из указанных материалов в паре с платиной, приведены в табл. III.4. Таблица III.4 Чувствительность специальных термопар
|
1 |
Оглавление
|