Пневматические измерительные приборы

Пневматическими измерительными приборами называются из­мери­тельные средства, в которых преобразование измерительной информации, т.е. информации, содержащей сведения об измеря­емом размере, осущест­вляется через измерение параметров сжатого воздуха в воздушной магистрали при его истечении через неболь­шое отверстие.

Принцип действия всех пневматических приборов для измерения линейных размеров основан на положении газовой механики о том, что, если в какой-либо магистрали воздухопровода (камере) нахо­дится воздух под давлением и выпускается через небольшое отвер­стие в атмосферу с номинально постоянным давлением, то расход воздуха через это отверстие в единицу времени будет зависеть от площади проходного сечения отверстия и от давления внутри маги­страли. При постоянном давлении расход будет зависеть только от площади проходного сечения. Если на пути распространения воз­душного потока вблизи отверстия оказывается препятствие, то расход воздуха и давление внутри магистрали около отверстия меняются.

Деталь, линейный размер которой надо измерить, располагают перед торцом сопла на определенном расстоянии. В зависимости от размера детали изменяется зазор (расстояние между деталью и тор­цом сопла), отчего изменяется расход воздуха (объем воздуха, проходящего в единицу времени через калиброванное отверстие — сопло). Обычно прибор настраивают по размеру образцовой дета­ли или концевым мерам длины.

Прибор имеет узел подготовки воздуха, в котором осуществля­ется его очистка и стабилизация давления; отсчетное или командное устройство, преобразующее изменение расхода или связанного с ним давления в воздухопроводе в значение определяемого раз­мера; измерительную оснастку с одним или несколькими соплами (диаметр отверстия 1 — 2 мм), из которых воздух вытекает на деталь. По видам отсчетных устройств приборы разделяют на ротаметрические и манометрические.

В приборе ротаметрического типа (рис. 8.4) сжатый воздух под постоянным давлением поступает в нижнюю часть расширя­ющейся конической прозрачной (обычно стеклянной) трубки, в ко­торой находится поплавок. Из верхней части трубки воздух подво­дится к измерительному соплу и через зазор S выходит в атмос­феру. В соответствии со скоростью воздуха поплавок устанавлива­ется на определенное расстояние S от нулевой отметки шкалы, которая отградуирована в единицах длины.

В приборах манометрического типа (рис. 8.5) сжатый воздух под постоянным давлением поступает в рабочую камеру, в которой находится входное сопло, далее в измерительное сопло и через зазор — в атмосферу. Давление в камере, зависящее от зазора S, измеряется манометром, шкала которого отградуирована в еди­ницах длины. Применяют приборы мано­метрического типа высоко­го (30 — 40 кН/м²) и низкого (5 — 10 кН/м²) давления.

Пневматические измерительные приборы используют в системах активного контроля и в контрольных автоматах. В качестве чувст­вительного элемента используют упругие элементы, элементы (трубчатые пружины, сильфоны, мембранные коробки, упругие и вялые мембраны) или жид­костные дифманометры (U-образные и чашечные). Приборы разделяют на бесконтактные (воздух из измерительного сопла обдувает непосредст­венно деталь) и контакт­ные (воздух из измерительного сопла направлен на торец измери­тельного стержня или одно из плеч рычага, второй конец которого входит в контакт с деталью).

Рис. 8.4. Пневматический измери­тельный прибор ротаметрического типа:

1 — трубка, 2 — поплавок, 3 — измери­тельное сопло; S — воздушный зазор, L — измеряемый размер, / — размер установки поплавка по шкале

Рис. 8.5. Пневматический измерительный

прибор манометрического типа: / — рабочая камера, 2 — входное сопло, 3 — манометр, 4 — измерительное со­пло, 5 — воздушный зазор между дета­лью и измерительным соплом, L — из­меряемый размер

В метрологическом анализе точности пневматического измери­тельного прибора особое значение уделяется анализу точности пневматической системы (см. гл. 6). К преимуществам приборов относят сравнительную простоту конструкции, возможность бес­контактных измерений при очистке измеряемой поверхности струей воздуха, большое увеличение при измерении (до 10 тыс. раз) и, как следствие, высокая точность, возможность определения размеров, погрешностей формы, суммирования и вычитания измеряемых ве­личин, получение непрерывной информации и дистан­ционного из­мерения. К недостаткам относят: необходимость иметь очищенный воздух со стабилизированным давлением; инерционность пневмати­ческой системы; колебание температуры в зоне измерения.

Перспективными являются созданные конструкции, в которых сочетаются преимущества пневматического метода с использовани­ем индуктивных или других преобразователей.

8 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Цель: Изучить процессы в электрических приборах.

1. Электрические измерительные приборы

2. Контроль размеров с помощью электроконтактного измери­тельного прибора

3. Индуктивные преобразователи

4. Фотоэлектрические приборы

В электрических приборах для линейных измерений процесс измерения осуществляется путем превращения линейной величины в электрическую, которая в зависимости от целевого назначения прибора в свою очередь превращается либо снова в линейную величину (например, перемещение стрелки по шкале), либо в сигнал, либо в механическую величину пере­мещения отдельных элементов в автоматических контрольных, регистри­рующих или регулирую­щих устройствах. Измеряемая линейная величина превращается в электрическую с помощью электромеханических преобра­зовате­лей (головок), чувствительные элементы которых ощупывают конт­ролируемое изделие.

Превращение линейного перемещения в электрическую величину с последующим измерением ее электрическими приборами дает ряд преимуществ по сравнению с механическими или оптическими изме­рительными приборами:

возможность территориального разделения места измерения и места получения результатов;

возможность использования результатов измерения в виде элек­трических величин как в электромеханических показывающих, реги­стрирующих и сигнализирующих приборах, так и в автоматических контролирующих и обрабатывающих машинах;

удобство эксплуатации.

Электрические измерительные приборы для линейных измере­ний представляют собой приборы, в которых результат снижается в виде электрической величины, или приборы с электрическими передаточными устройствами. Обычно они состоят из преобразова­теля, показывающего прибора, содержащего шкалу или сигнальные лампы, выходные элементы схемы, не смонтированные в датчике преобразователя.

В соответствии с принципом действия преобразователя различа­ют электроконтактные, индуктивные, емкостные и болометрические измери­тельные приборы.

Электроконтактные измерительные приборы. Приборы преобразуют определенное изменение контролируемой величины в электрический сигнал через замыкание (размыкание) электричес­ких контактов цепей, управляющих исполнительными элементами системы. Контакты обычно изготовляют из вольфрама, реже из благородных металлов. Включение прибора происходит при сраба­тывании прерывателя измерительного устройства в зависимости от размера контролируемого изделия. Если рычаг прерывателя не контактирует с контактами S, то изделие изготовлено в допуске. Если изделие выходит за пределы поля допуска, контакты замыка­ются и загораются лампочки.

Различные виды преобразователей по принципу настройки раз­деляют на две группы. К первой группе относят преобразователи, настройка которых производится с помощью точных установочных винтов, не имеющих делений, по параллельным концевым мерам или специальным установочным калибрам. Ко второй группе от­носят приборы, преобразователи которых настраиваются на нуле­вое положение с помощью только одного калибра с номинальным размером контролируемого изделия по зазору. С помощью преоб­разователя устанавливают пределы изменяемого размера, а по его шкале — фактическую величину контролируемого изделия.

Контроль размеров с помощью электроконтактного измери­тельного прибора имеет ряд преимуществ по сравнению с некото­рыми шкальными приборами или жесткими калибрами. Наряду с меньшей утомляемостью контролера и получением меньшей по грешности измерений значительно сокращается время контроля. Указанные преимущества делают возможным создание многомер­ных контрольно-измерительных приборов, у которых электрокон­тактные преобразователи расположены таким образом, что за один установ изделия на измерительную позицию автоматически прове­ряются несколько размеров. Наиболее подходящими для многомер­ных приборов являются электроконтактные преобразователи, так как они обладают сравнительно малыми габаритами (модели 228-2, 228-5, 248-6 и др., ГОСТ 3899—81). Применяя электромагниты, которые воздействуют на специальные стрелки, передающие им­пульсы от контактов преобразователя на точное реле, конструиру­ют автоматические контрольно-сортировочные приборы. Электро­контактные преобразователи применяют в адаптивных системах управления станками для подачи управляющих импульсов на при­вод или подающий механизм, для измерения режима обработки детали при достижении настроенных предельных размеров.

Путем включения в измерительную цепь сигнальных ламп с электрос­четчиками, которые считают всю совокупность контролиру­емых изделий, одновременно с операции контроля можно получать данные для оценки качества технологического процесса.

Индуктивные измерительные приборы. Определение дей­ствительных размеров деталей в цеховых измерениях рекомендует­ся проводить электро­индуктивными методами.

Принцип работы индуктивных измерительных приборов заклю­чается в том, что с изменением размера контролируемого изделия изменяется воздушный зазор в замкнутом дросселе и сопротивле­ние в цепи переменного тока. Электросхема прибора представляет собой мостовую схему (рис. 8.6). Измеряемая величина находится в определенной зависимости от тока, протекающего в цепи и вып­рямленного для измерения, сортировки или регулирования; необ­ходимые управляющие процессы осуществляются с помощью спе­циального реле. Ввиду того, что магнитная цепь индуктивных пре­образователей обладает очень малыми воздушными зазорами, незначи­тельное изменение измеряемой величины соответствует сравнительно большому изменению магнитного сопротивления. Существенным преиму­ществом индуктивных приборов для конт­роля размеров является отсутствие в преобразователе чувствитель­ных опор, шарниров, контактов, которые вызывают чувствитель­ность прибора к сотрясениям, ограничивают его надежность и срок службы при эксплуатации.

Снимаемые с прибора электрические величины имеют простей­ший вид и не зависят от внешних влияний.

Принцип действия индуктивного измерительного преобразова­теля поясняется рис. 8.6. У индуктивного преобразователя положе­ние подвижного якоря 2 между обеими измерительными маг­нитными катушками 1 опреде­ляется величиной контролируемого изделия 3. Если якорь находится посередине между катушками, то воздушные зазоры, а вместе с ними и индуктивности обеих измери­тельных катушек равны между собой, если же якорь приближается к одной из катушек, то ее сопротивление увеличивается, в то время как сопротивление другой катушки уменьшается. Так как обе изме­рительные катушки включены в смежные ветви электрического измерительного моста, то переменное напряжение, приложенное к соответствующей диагонали моста, является мерилом контроли­руемой величины. Равновесие моста, т. е. установку якоря в среднее положение, осуществляют с помощью концевых мер.

Рис. 8.6. Схема индуктивного измерительного прибора:

1 — катушка индуктивности, 2 — якорь, 3 — контролируемая деталь, 4 — измерительный шток, 5 — показывающий прибор; 6 — переменное сопротивление для настройки нулевого показания шкалы, 7 — переменное сопротивление для установка необходимой цены деления шкалы, 8 — кристаллические выпрямители, 9 — переключатель пределов показаний шкалы, 10 — баретор

По сравнению с предельными электроконтактными преобразо­вателями индуктивные преобразователи более дорогие, однако они имеют следующие преимущества: отсутствие обратного механичес­кого воздействия на измери­тельный штифт; надежны в эксплу­атации; возможна электрическая настрой­ка необходимых пределов измерения; возможна настройка на несколько полей допусков в за­висимости от задач измерения.

Индуктивные преобразователи имеют модели 212, 276, 76503 и др.

Емкостные измерительные приборы. Изменение контро­лируемого размера влечет изменение величины воздушного зазора между пластинками конденсатора и, следовательно, изменение ем­кости. Так как емкость преобра­зователя составляет около 100 пф, то измерение емкости практически воз­можно только с помощью высокочастотных методов с применением дорого­стоящих вспомогательных устройств. Однако значительное преимущество емкост­ного метода заключается в возможности изготовления легких и жестких подвижных электродов и достижения высокой собствен­ной частоты. Кроме того, по сравнению с индуктивным емкостной преобразователь имеет еще то преимущество, что у него значитель­но меньше обратное воздействие на измерительный шток, так как силы, возникающие от напряжения, приложенного на подвижные электроды, значительно меньше магнитных сил в индуктивном преобразователе. В конструктивном отношении емкостной преоб­разователь должен обладать незначительным рассеиванием, тщате­льно выполненной экранировкой, высококачественной изоляцией, простотой выполнения и достаточной механической жесткостью. Преобразователи изготовляют в виде двухпластинчатого конден­сатора, из которых одна пластина подвижная, либо в виде трехпластинчатого конденсатора с одной подвижной и двумя неподвиж­ными пластинами.

Фотоэлектрические приборы (ФЭП). В ФЭП информация о переме­щении меры относительно указателя поступает в виде световых сигналов на фотоэлемент. С помощью фотоэлемента ин­формация преобразуется в элект­рические сигналы, по разности амплитуд или фаз которых определяют изменение контролируемой величины.

В качестве оптических мер в приборах используют измеритель­ные растры, дифракционные решетки, штриховые меры, кодовые решетки, шкалы длин волн и другие меры.

Контрольные вопросы:

1. Электрические измерительные приборы – это

2. Контроль размеров с помощью электроконтактного измери­тельного прибора -

3. Индуктивные преобразователи -

4. Фотоэлектрические приборы -

9 ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Цель: Изучить измерительно-информационную систему.

1. Измерительно-информационная система

2. Лазерный профилограф

В развитии современной измерительной техники наметились общие тенденции, из которых главными являются: переход от еди­ничных приборов к измерительным системам, в том числе к само­настраивающимся и аддаптивным системам; развитие измеритель­ных подсистем в роботех­нических комплексах и совершенствование систем активного контроля; применение микропроцессоров в изме­рительных системах и устройствах для переработки измерительной информации, применение числового программ­ного управления про­цессом измерений, приведшим к созданию информа­ционно-измери­тельных систем (ИИС).

Измерительно-информационная система — комплекс измери­тельных устройств, обеспечивающих одновременное получение не­обходимой измери­тельной информации о состоянии точности объекта. Задача, решаемая ИИС, обратная задаче отдельного изме­рительного устройства: не расчленять параметры объекта измере­ния с целью выделить и воспринять их по отдельности, а объеди­нить данные о всех главных параметрах объекта и создать тем самым достаточно полное, совокупное его описание. Таким образом, от­личительными особенностями ИИС являются: одновременное из­мерение многих параметров объекта (т. е. многоканальность) и пе­редача измерительной информации в единый центр; представление полученных данных, в том числе их унификация, в виде наиболее удобном для последующей обработки получателем.

Создание ИИС связано с решением системных вопросов: мет­рологическая унификация средств измерений (датчиков, преобразо­вателей, указателей) независимо от вида измеряемых величин; оп­тимизация распре­деления погрешностей между различными средст­вами измерений, входя­щими в ИИС; наиболее целесообразное раз­мещение указателей перед опе­ратором. Структурная схема любой ИИС показана на рис. 8.7.

Датчики воспринимают различные параметры объекта измере­ния и передают по каналам связи сигналы в единый пункт сбора данных. Программное устройство воспринимает информацию дат­чиков и передает ее получателю информации.

В ИИС наиболее перегруженным звеном оказывается получа­тель информации, который практически не в состоянии одновремен­но воспринять показания многих приборов. Для облегчения его работы применяют мнемонические схемы, т. е. схематические изоб­ражения объекта измерения, на которых приборы заменены услов­ными сигнализаторами. Обычно сигнализаторы показывают уже не абсолютные значения измеряемых величин, а их отклонения от заранее установленной нормы. При очень большом числе точек контроля приборы заменяют световыми сигнали­заторами с услов­ным цветовым кодом.

Источником управляющих сигналов являются аналоговые или цифро­вые измерительные преобразователи, служащие для воспри­ятия величин, характеризующих, например, процесс обработки на станке с числовым программным управлением (линейные и угловые перемещения, силы резания, вращающий момент, температура, потребляемая мощность). Источ­ником командных сигналов является постоянное и программное запоми­нающие устройства.

Рис. 8.7. Структурная схема измерительно-информационной системы: Д и D — датчики, УП — унифицирующий преобразователь; ПУ - программное устройство

Постоянные запоминающие устройства служат для хранения неиз­менных программ. Они выполняются в виде коммутационных схем и на интегральных схемах. Оперативные запоминающие устройства содержат программоносители в виде дискет.

Вычислительная машина в соответствии с заданной программой отрабатывает командные сигналы, результаты измерения, включая анализ в конце, выдает результат измерения.

ИИС нашли широкое применение при контроле линейных и уг­ловых величин, резьб, зубчатых колес, в аддаптивном управлении технологического процесса, в метрологическом обеспечении в усло­виях модульного производства корпусных конструкций.

Создание автоматизированных поточных линий, являющихся неотъем­лемой частью модульного производства крупногабаритных корпусов, предусматривает использование встроенных в общий тех­нологический поток автоматических измерительных устройств ИИС. При этом методы измерений должны обеспечивать возмож­ность измерений без предварительного вырав­нивания конструкций по контрольным линиям. Измерения должны выполняться при тех пространственных положениях конструкций, которые определяются технологией их изготовления.

Создан автоматизированный комплекс, состоящий из лазерного профилографа, системы сбора измерительной информации и микро-ЭВМ с программным обеспечением.

Лазерный профилограф включает светодальномер, работающий от диффузно-отражающих поверхностей, какими являются поверх­ности метал­лов, сканатор для бесконтактного измерения текущих радиусов-векторов от центра вращения сканатора до контролиру­емых точек профиля цилинд­рического корпуса.

Система сбора результатов измерения предназначена для авто­матической записи полученных данных заданного сечения в пере­носной модуль памяти, выдачи команды на устройство автомати­ческой смены точки измерения с определенным шагом по типу «от точки к точке», хранения записанной информации в модуле памяти, сопряжения модуля памяти с каналом ЭВМ и ввода результа­тов измерения в ЭВМ. Вычислительная машина обрабатывает ре­зультаты измерения по разработанной программе и выдает требу­емые данные на экран дисплея или выводит на печать в форме таблицы.

Контрольные вопросы:

1. Измерительно-информационная система

2. Лазерный профилограф

10 ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Цель: Изучить первичные преобразователи параметров технологических процессов.

1. Термомерты и термопреобразователи.

2. Манометрический термометр

3. Манометрический термометр

1. ТЕРМОМЕТРЫ И ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Температура – это параметр, характеризующий технологический процесс. В животноводческих комплексах, птицеводческих фабриках и тепличных комбинатах она особенно важна, т. к. от точности измере­ния и поддержания температуры на различных стадиях технологичес­кого процесса во многом зависит качество готовой продукции.

В соответствии с системой СИ для измерения температуры поль­зуется абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. Градусы температуры по этой шкале отчитываются от абсолютное нуля. который ниже точки таяния льда на 273,16 К. Наряду с этим принята международная практическая температурная шкала МПТШ-68. осно­ванная на шкале Цельсия. Таким образом, значения температуры в градусах Кельвина на 273,16 больше значений в градусах Цельсия (в инженерных расчетах принимают 0 °С = 273 К). Большинство современ­ных термометров имеет шкалу в градусах Цельсия, но в расчетах чаше применяются градусы Кельвина.

Промышленные термометры делятся на три большие группы: термометры расширения, термоэлектрические преобразователи и термо­пре­образователи сопротивления.

Термометры расширения действуют на основании способности жидкостей и газов изменять свой объем, а твердых тел – размеры при изменении температуры. Термометры расширения представляют собой цельное устройство, снабженное шкалой, предназначенной для ви­зуального наблюдения за температурой. Термометры бывают жид­костные, дилатомет­рические и манометрические.

Жидкостный термометр расширения состоит из резервуара, запол­ненного жидкостью (ртуть, спирт), капиллярной трубки и шкалы, которая наносится или вкладывается в стеклянную трубку (рис. 2 а). Объем жидкости меняется в зависимости от температуры

V=V₀[1+_v(T–T₀)], (1)

где V и V₀ – объемы жидкости при температуре T и T₀, м³; _v – коэффициент объемного расширения, 1/К (%/К).

Показания жидкостных термометров расширения определяются не только температурой измеряемой среды, но и температурой высту­пающей части, которая находится в контакте с окружающей средой. Поправку на выступающий столбик Т подсчитывают по формуле

Т=_v(T–T_в.с.)n, (2)

где T_в.с. — температура выступающего столбика, °С; n — число градусов в выступающем столбике.

Дилатометрический термометр расширения действует на основании использования теплового линейного расширения твердых тел (стержней, пластинок, спиралей) (рис.2 б)

2l=l₀[1+_l(T–T₀)], (3)

где l и l₀ – линейные размерь: при температурах T и T₀, м; _l – коэффициент линейного расширения, 1/К (%/К).

Перемещение стержня с большим коэффициентом линейного расшире­ния передается через рычажную передачу указательной стрелке. Относитель­ное перемещение стрелки l, вызванное изме­нением температуры, находят по формуле

Рис 2. Термометры расширения:

а — жидкостные; б — дилатометрические: 1 — термочувствительный корпус; 2 — стержень; 3 — рычаг; 4 — стрелка; 5 — шкала; в — манометрические: 1 — термобаллон; 2 — дистан­ционный капилляр; 3 — рычаг; 4 — сектор с червяком; 5 — трубка с шестерней; 6 – упругий термочувствительный элемент, 7 — шкала; 8 — стрелка; 9 – кулачок.

l=kl₀_lT, (4)

где k — отношение плеч рычага; l₀ — начальная длина стержня, м; T –изменение темпе­ратуры, °С.

Манометрический термометр состоит из чувствительного элемента – термобаллона, п Манометрический термометр огруженного в измерительную среду, капиллярной трубки и указателя с пружинной системой (рис. 2, в). Все элементы соединены герметично, вследствие чего внутренняя полость термометра представляет собой замкнутое пространство, заполненное газом или жидкостью. При нагревании термобаллона в системе соз­дается давление, которое вызывает перемещение механизма указате­ля.

В газовых термометрах термобаллон заполнен азотом, аргоном или гелием, и зависимость давления от температуры определяется выражением

p=p₀[1+_v(T–T₀)], (5)

где p и p₀ – давления газа (или жидкости) при температурах T и T₀, Па; для газов коэффициент объемного расширения _v=1/273 1/К.

Для снижения влияния атмосферного давления на показания прибора в термосистеме создается давление не более 5 МПа. Колеба­ния температуры окружающего воздуха вызывают погрешности измерения. Погрешности от нагревания манометрической пружины T_м и капиллярной трубки T_к определяются по формулам

T_м=(V_м/V₅)(T_м–T₀) и (6)

T_к=(V_к/V₅)(T_к–T₀),

где V_м, V₅ и V_к — объемы соответственно манометрической пружины, термобаллона и капиллярной трубки, м³; T_м, T_к и T₀ – температуры пружины, трубки и окружающей среды, °С.

В жидкостных термометрах термобаллон заполнен ртутью или другой термометрической жидкостью. Избыточный объем жидкости вытесняемой из термобаллена,

V=(_v–3_тб)(T–T₀)V₀, (7)

где _тб — коэффициент объемного расширения материала термобаллона, 1/К; V₀ – объем жидкости при температуре T₀, м³.

Шкала как газовых, так и жидкостных термометров расширения линейная, но у жидкостных ниже тепловая инерционность, чем у газовых.

Недостаток всех перечисленных термометров расширения – сложность преобразования температуры в электрический сигнал. Поэтому в авто­матических системах чаще применяются термоэлектрические преобразо­ватели и термометры сопротивления.

Рис. 3. Измерение термо-эде:

а — микровольметром; б – потенциометром.

Термоэлектрический преобразователь (тормопара) на основании воз­никновения термо-эдс Е в цепи, состоящей из двух разнообразных про­водников при наличии разности температур Т и Т₀ соединений их концов

E(T,T₀)=f(T)–f(T₀). (8)

Обычно одно из соединений термопары (холодный спай) находится в среде с постоянной температурой, а другое (горячий спай) – в иссле­дуемой среде. Зависимость f(T) близка к линейной и определяется материалами .проводников термоэлектрической цепи. Для расчетов используют градуированные таблицы значений E(T,T₀)=f(T) при T₀=0°С, которые приведены в приложении 1.

Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0°С, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Ее можно рассчитать по формуле

T_ис=T_и+k(T_х–T₀), (9)

где T_ис и T_и – истинные и измеренные значения температуры, С; T_х и T₀ – температуры холодных слоев при измерении и градуировке (T₀=0 С), С; k – поправочный коэффициент, значения которого для различных диапазонов температур приведены в приложении 1.

Термо-эдс измеряют с помощью милливольтметров и потенциомет­ров. В первом случае (рис. 3, а) напряжение на выводах милливольт­метра связано с термо-эдс соотношением

U=E(T,T₀)/(1+R_эк,R_p), (10)

где R_p – внутреннее сопротивление эдльметра, кОм, R_эк – сопротивление из­мерительной цепи, в которое входит сопротивление термопары, соединительных проводов, контактов и т.д., Ом.

Во втором случае (рис. 3. б) используют метол уравновешивания термо-эдс известным напряжением. Вначале обеспечивается постоянство тока в цепи потенциометра R_p. Для этого переключатель ставят в положение К и с помощью переменного резистора R добиваются нулевого значения на шкале измерительного прибора РА, что соответствует току I=E_нэ/R_нэ в ветви ac. Затем переключатель перево­дят е положение И и добиваются нуля в цепи РА с помощью потен­циометра R_p, что соответствует равенству разности потенциалов между точками b и d, т. е.

E(T,T₀)=IR_bd=E_нэ R_bd/R_нэ. (11)

Так как E_нэ и R_нэ – величины постоянные, то измерение сводится к определению сопротивления R_bd, а подвижный контакт потенциометра R_p непосредственно связан со шкалой температуры.

При измерении температуры с помощью термопар не требуются дополнительные источники питания. К недостаткам этих приборов относятся низкая температурная чувствительность и необходимость учитывать темпе­ратуру холодных спаев.

Контрольные вопросы:

1. Термомерты и термопреобразователи - это

2. Манометрический термометр -

3. Манометрический термометр -

11 ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цель: Изучить термопреобразователи сопротивления.

1. Проволочные и полупроводниковые

2. Схема уравновешенного моста

3. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов

4. Вольт-амперная характеристика терморезисторов

Служат для непосредст­вен­ного преобразования температуры в параметр электрической цепи. Они бывают проволочные и полупроводниковые.

Проволочные резисторы характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры:

платиновые в диапазоне от 0 °С до 650 °С

R_T = R₀(1+_TT–_BT²), (12)

где _T=3,9710^–3 1/К и _B=5,8510^–7 1/К² – температурные коэффициенты соп­ротивле­ния;

медные в диапазоне от –50°С до 180°C

R_T = R₀(1+_TT), (13)

Сопротивление R₀ градуируют при 0С. Для более точных измере­ний используют специальные таблицы для промышленных проволоч­ных резис­торов основных типов (приложение 2).

Для преобразования температуры в электрический сигнал с по­мощью терморезисторов используют измерительные схемы.

Схема уравновешенного моста приведена на рисунке 4, а. В одно из плеч моста включен термочувствительный элемент R_T (ТСМ, ТСП или терморезистор). Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю, что достигается при соотношении сопротивлений плеч R₃=R_T(R₂/R₁).

Рис. 4. Измерение сопротивления способом:

а – уравновешенного моста; б – неуравновешенного моста; в – с помощью логометра.

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления R_T с помощью переменного резистора R₃ добиваются равно­весия моста. Таким образом, указатель шкалы связан с подвиж­ным контак­том переменного резистора R₃, причем характер шкалы полностью соответствует температурной характеристике термо­чувствительного элемен­та. Измерительный прибор РА служит в ка­честве нуль-индикатора, а шкала переменного резистора отградуиро­вана в °С. К преимуществам уравновешен­ной схемы относится незави­симость точности измерения от колебаний на­пряжения источника, что важно при использовании батарей или акку­муляторов. Недостаток схемы – необходимость ручной настройки шкалы при измерении.

Схема неуравновешенного моста приведена на рисунке 4, 6. Равно­весие моста обеспечивается при настройке в одной точке темпе­ратурного диапазона измерения (обычно в его начале), а при разбалан­се моста опре­деляют ток в измерительной диагонали

I=U_ав(R₁R₃ – R₂R_T)/R₂R₃(R₁+R_T). (14)

В этом случае шкала измерительного прибора РА отградуирована в С, но она нелинейно связана с температурной характеристикой термо­чувствительного элемента, так как величина R_T входит в числитель и зна­менатель выражения (14). Шкала приблизительно линейна при небольших изменениях температуры и более сжата к концу температурного диапазона. Кроме того, точность измерения существенно зависит от напряжения U_ав. Чтобы обеспечить его постоянство, используется переменный резистор R₁, который настраивают после переключения измерительной цепи на контрольный резистор R₃. Сопротивление R_к соответствует значению сопротивления R_T при некоторой температуре, которая на шкале отмечена красным. При переключении на сопротивление R_к указатель РА должен устанавливаться на это метке. Таким образом, при использовании уравновешенной схемы измерения необходимо обеспечить стабильность напряжения моста.

Полупроводниковые терморезисторы обладают более высокими значениями сопротивления и чувствительности по сравнению с прово­лочными.

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов зависит от тем­пературы

R_T=R_To exp(B_T/T–B_T/T₀), (15)

Температурный коэффициент сопротивления резисторов _Т (1/К) за­висит от температуры и имеет отрицательный знак

_Т= –B_T/T². (16)

Вольт-амперная характеристика терморезисторов имеет точку макси­мума по напряжению, что позволяет использовать их также в схемах сигна­лизаторов температуры. Для расчетов удобно пользоваться безразмерной вольт-амперной характериситкой терморезисторов типов КМТ и ММТ (приложение 3). При нахождении характеристики конкретного термо­резис­тора должны быть известны значения напряжения и тока в точке максимума

I=I_M x, U=U_M y. (17)

Линейный участок при небольших токах используется для измерения температуры, точка максимума – в термореле, а участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением при большом нагреве рабочего тела – для измерения влажности, давления, скорости и т.д.

Нелинейность вольт-амперных характеристик как полупроводниковых, так и проволочных терморезисторов определяется повышением температуры рабочего тела за счет нагревания протекающим током

T_p=T+(U I)/b, (18)

Коэффициент b зависит от конструкции термопреобразователя и условий окружающей среды.

Тепловая инерционность преобразователей объясняется наличием оп­ределенной массы и теплового контакта со средой, в результате чего температура рабочего тела меняется не мгновенно. Обычно измерение температуры рабочего тела происходит по экспоненциальной зависимости

T_p=T(1–e^–t/), (19)

где T – изменение температуры среды, К;  – постоянная времени, которая так же, как и коэффициент b, зависит от условий окружающей среды, с.

Тепловую инерционность и нагревание рабочего тела терморезисторов необходимо учитывать при выборе электрических и тепловых режимов работы.

В современной измерительной технике применяются также термо­преобразователи с полупроводниковыми термочувствительными элементами (диоды, транзисторы, тиристоры). Они характеризуются небольшими раз­мерами и тепловой инерционностью, широким диапазоном выбора пара­метров. Кроме того, при сохранении их функционального назначения в электронных схемах можно получать термопреобразователи с непос­редст­венным преобразованием температуры в частоту и амплитуду импульсов, в цифровой сигнал.

Контрольные вопросы:

1. Проволочные и полупроводниковые

2. Схема уравновешенного моста

3. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов

4. Вольт-амперная характеристика терморезисторов