Материал: Основы автоматизации производства

Рис. 52. Градуировочные характеристики термопар

Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволоки диаметром 1,5 ... 3,2 мм для термопар из неблагородных металлов и диаметром 0,5 – для благородных. Для измерения температуры поверхности применяют ленточные и лепешечные термопары.

Рис. 53. Конструкция арматуры термоэлектрического термометра:

I – корпус с крышкой; 2 – клеммная коробка; 3 – фарфоровые бусы; 4 – штуцер с резьбой; 5 – защитный чехол; 6 – термопара

Термопары обычно изготовляют сваркой или пайкой. Так как термоэлектроны должны соприкасаться друг с другом только в рабочем конце (горячем спае), то по всей длине их изолируют друг от друга. Для внутренней изоляции отдельных электродов из неблагородных металлов применяют фарфоровые одноканальные трубочки (бусы). Термоэлектроды платинородий – платиновой термопары по всей длине изолируют друг от друга фарфоровой одно канальной трубкой, надетой на платиновый электрод, или двухканальной фарфоровой трубкой. Для защиты от механических повреждений и непосредственного воздействия вредных газов термоэлектроды помещают в защитный чехол (рис. 53).

В качестве вторичных приборов в термометрических термометрах используют пирометрические милливольтметры (гальванометры) и компенсационные приборы (потенциометры).

Пирометрические милливольтметры – приборы магнитоэлектрической системы. Их работа основана на принципе взаимодействия проводника, по которому протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита.

Рис. 54. Схема милливольтмметра

Милливольтметр (рис. 54) состоит из постоянного магнита 2, на концах которого расположены полюсные наконечники 3 из мягкого железа, и неподвижного стального магнитопровода 5. Наличие цилиндрического магнитопровода в междуполюсном пространстве магнита уменьшает магнитное сопротивление, создает равномерный зазор и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и магнитопроводом размещается прямоугольная рамка 4, состоящая из большого числа витков изолированного медного провода. С обеих сторон по центру рамки установлены полуоси, на которых рамка может поворачиваться в опорных подшипниках, изготовленных из рубина или агата. Ось вращения рамки совпадает с осью магнитопровода.

Рамка поворачивается вместе с легкой стрелкой 1, один конец которой перемещается вдоль шкалы, а на втором расположены два усика с грузами 6. Перемещением грузов по винтовой нарезке добиваются уравновешивания подвижной системы, т. е. совпадения центра тяжести с осью вращения. Для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной рамке служат две спиральные пружины 7, изготовленные из фосфористой бронзы. Добавочный резистор R_доб, выполненный из манганиновой проволоки, используется для подгонки диапазона шкалы и ограничения влияния изменений температуры окружающей среды на показания прибора (температурный коэффициент сопротивления манганина – низкий). Подгонка внешнего сопротивления осуществляется резистором R_вн, значение его подбирается по сопротивлению внешней цепи (сопротивление резистора R_вн внешней цепи должно соответствовать значению, указанному на шкале прибора).

При измерении температуры ток от термопары поступает в рамку через спиральные пружины. Протекающий по рамке ток взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, вследствие чего рамка поворачивается под действием момёнта. Поворот рамки прекратится при уравновешивании двух моментов. Переменной величиной практически является сопротивление подсоединительных проводов, т. е. их длина оказывает влияние на показания прибора.

Промышленность выпускает показывающие, регистрирующие и регулирующие милливольтметры. Шкала градуируется либо в градусах температуры, либо в милливольтах, применяется и двойная градуировка шкалы. Технические характеристики показывающих милливольтметров приведены в табл. 6.

Поверка милливольтметров сводится к определению соответствия градуировки и класса точности приведенным значениям. Она проводится с помощью лабораторных приборов более высокого класса точности. На вход обоих приборов от источника регулируемого напряжения одновременно подается одинаковый сигнал. Результаты измерений сравнивают при прямом и обратном ходе (увеличение и уменьшение напряжений) и определяют погрешности поверяемого милливольтметра.

Таблица 6

Технические характеристики милливольтметров

Компенсационными приборами (потенциометрами) называют приборы, которые используются для измерения температуры компенсационным (потенциометрическим) методом. Этот метод основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термоЭДС, равной по значению, но обратной по знаку ЭДС вспомогательного источника тока.

Потенциометры делят на две группы: неавтоматические и автоматические.

Рис. 55. Схема потенциометра

Уравновешивающее напряжение в схеме неавтоматического потенциометра (рис. 55) создается с помощью ЭДС источника питания 2, падение напряжения от которого на измерительном резисторе R_р уравнивается термоЭДС термопары 4. Измерительный резистор имеет линейное сопротивление и называется реохордом. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D пропорциональна сопротивлению R_AD. Передвижением по реохорду скользящего контакта 3 можно изменять сопротивления R_AD. Термопара, термоЭДС которой необходимо измерить, подключается одним концом к точке D, а вторым – через нуль-гальванометр 1 к точке А. Нуль-гальванометр выполняет функции индикатора наличия тока в цепи термопары и представляет собой чувствительный милливольтметр, имеющий двустороннюю шкалу.

Так как значение термоЭДС прямо пропорционально сопротивлению участка AD реохорда R_p, то шкалу прибора, относительно которой перемещается движок 3, можно отградуировать в единицах напряжения электрического тока либо температуры.

По сравнению с милливольтметром потенциометр обладает следующими двумя преимуществами: отсутствует электрический ток в цепи термометра в момент измерения и исключена операция измерения тока.

Автоматические потенциометры предназначены для измерения, записи, сигнализации и регулирования (при наличии регулирующего устройства) температуры, изменение которой может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.

Наибольшее распространение в литейных и термических цехах получили автоматические показывающие и регистрирующие потенциометры типа КСП4 с ленточной диаграммой и типа КСП3 с круглой диаграммой.

Электронные автоматические потенциометры типа ЭПД с записью на дисковой диаграмме предназначены для работы с термопарами стандартных градуировок (ХА, ХК и ПП) и телескопом радиационного пирометра типа РПС. Градуировка шкалы выполнена в градусах температуры: запись – непрерывная чернилами на дисковой диаграмме диаметром 300 мм, время одного оборота диаграммы 24 ч, время прохождения всей шкалы пером и стрелкой не более 5 с, установка рабочего тока – полуавтоматическая.

Электронные потенциометры типа КСП4 производят запись на ленточной диаграмме. Возможно изменение скорости записи (восемь ступеней) от 60 до 1414 мм/ч. Приборы выпускают для записи по 2, 3, 6, 12 и 24 каналам, в них предусмотрены сигнализация об окончании диаграммной бумаги и автоматическая остановка.

Запись проводится в прямоугольных координатах на диаграммной ленте шириной 275 мм: в одноканальных приборах непрерывно чернилами, а в многоканальных – циклично печатающим устройством. Время прохождения регистрирующей кареткой всей шкалы может изменяться в пределах 1 ... 8 с.

Таблица 7

Технические характеристики потенциометров, мостов и милливольтметров

Примечание. КП1 показывающие; КС1–КС4 – показывающие и регистрирующие; КС1 и КС2 – одноканальные; КСЗ и КС4 – многоканальные; КСП – потенциометр; КСМ – мост; КСУ – милливольтметр.

Потенциометры типа КСП4 предназначены для измерения температуры в комплекте с термопарами стандартных градуировок ХА, ХК и ПП и телескопом радиационного пирометра. Класс точности автоматических потенциометров – 0,5.

Технические характеристики основных автоматических потенциометров помещены в табл. 7.

Рассмотрим принципиальную схему электронного потенциометра КСП4 одно канального исполнения (рис. 56). Питание моста производится от источника стабилизированного напряжения ИСП, который при напряжении 5 В дает ток 5 мА.

Рис. 56. Схема электронного потенциометра КСП4

Конденсаторы С1, С2 и СЗ совместно с резисторами R1, R2 и R3 образуют фильтры, которые устраняют помехи, возникающие в цепи термопары под действием внешних магнитных полей. Как только в цепи термопары ТП появляется разность напряжений между термоЭДС термопары и уравновешивающим ее напряжением реохорда, возникает ток разбаланса, который из постоянного преобразуется вибропреобразователем в переменный и подается на вход усилителя УЭД, состоящего из усилителя напряжения и усилителя мощности. К выходу усилителя мощности подключается одна из обмоток реверсивного исполнительного двигателя РД-09, вторая обмотка которого питается от сети. Конденсаторы С4 и С5 обеспечивают получение сдвига фаз (на 90°). Ротор электродвигателя РД-09 кинематически связан с движком реохорда R4, пишущим пером диаграммы и с показывающей стрелкой шкалы. Электродвигатель РД-09 вращается в определенную сторону и движок передвигается по реохорду до наступления компенсации термоЭДС термопары и уравновешивающего его напряжения, отчего ток разбаланса становится равным нулю и система останавливается. Реакция усилителя настолько быстра, что систему можно считать практически безынерционной.

Реохорд выполнен из сплава (палладий с вольфрамом), имеющего высокую стойкость против истирания, а контакты движка выполнены из сплава золота, серебра и меди.

Синхронный двигатель СД-54 предназначен для перемещения диаграммной ленты. Он питается непосредственно от сети и включается тумблером S1. Общее включение прибора осуществляется тумблером S2.

Поверка автоматических потенциометров осуществляется с помощью образцовых потенциометров, погрешность которых в 5 раз меньше, чем у поверяемых приборов. При поверке на вход поверяемого и образцового потенциометров подается одинаковое напряжение от регулируемого питания, с помощью которого указатель поверяемого прибора устанавливают на заданную отметку шкалы, а затем измеряют это напряжение образцовым прибором.