/
Text
А. М. ТУРИЧИН
' и"»" 4
т. $>
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Издание второе, переработанное
Допущено
Министерством высшего образования СССР
в качестве учебного пособия
для энергетических и электротехнических
институтов и факультетов
6Я0
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1 9 5 4 ЛЕНИНГРАД
3 ЭЭ-5-2
В книге рассматриваются вопросы физиче-
ских основ, теории и устройства электриче-
ских приборов для измерения неэлектрических
величин.
Книга предназначена в качестве учебного
пособия для электротехнических вузов, гото-
вящих специалистов по электроизмерительной
технике и по автоматизации производствен-
ных процессов. Вместе с тем книга может
быть полезна инженерно-техническим и научно-
исследовательским работникам, занятым раз-
работкой и эксплуатацией электрических при-
боров для измерения неэлектрических величин.
Редактор П. В. Новицкий. Технический редактор Л. В. Воронецкая
Т-04886 Сдано в производство 130II 1954 г. Подписано к печати 24/VII 1954 г.
Печ. л. 29,93 Уч.-изд. л. 37,0 Бум. л. 9,13. Формат 84 X 108i/16
| Тираж 20 000 экз. Цена в переплете № 7—14 р. 45 к., в переплете № 5 — 13 р. 95 к. Зак. 1129.
f Типография Госэнергоиздата, Москва, Шлюзовая наб., 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Настоящий труд является вторым, перера-
ботанным изданием книги, выпущенной под тем
же названием в 1951 г. При переработке автор
учел ряд замечаний и пожеланий, полученных
им от различных лиц, и по возможности стре-
мился отразить в кциге достижения отечествен-
ного приборостроения за последние два года,
особенно в области приборов, использующих
автоматические мосты и компенсаторы.
Автор считает своим долгом выразить бла-,
годарность рецензенту Р. Р. Харченко за ряд
весьма ценных советов и замечаний, а также
Я. М. Феенбергу, Е. А. Агафонову, Л. А. Ост-
ровскому, И. И. Ивановой, П. Д. Преснякову,
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ
Вопросам электрических измерений неэле-
ктрических величин посвящена обширная лите-
ратура как на русском, так и на иностранных
языках. Однако эта литература либо охваты-
вает отдельные частные вопросы электрических
измерений неэлектрических величин, либо си-
стематизирована по признаку отрасли произ-
водства, для которой характерно использование
той или иной измерительной аппаратуры; при
этом в подобных книгах рассматриваются как
электрические, так и неэлектрические приборы
для измерения неэлектричеоких величин. К кни-
гам этого типа относятся, например, труды:
В. П. Преображенского «Теплотехнические из-
мерения и приборы», С. И. Щепкина «Кон-
трольно-измерительные и регулирующие прибо-
ры в химических производствах», Н. Н. Топер-
верха «Измерительные и регулирующие прибо-
ры на металлургических заводах» и др. Как
правило, эти труды* носят описательный харак-
М. М. Фетисову и И. Н. Селиверстову за по-
лезные указания, сделанные ими по отдель-
ным разделам книги.
Автор выражает признательность П. В. Но-
вицкому за выполненный им большой труд по
редактированию книги и приносит благодар-
ность Е. В. Мартыновой и Л. М. Яблонику за
помощь в оформлении рукописи.
Отдавая себе отчет в том, что предлагаемая
книга не может быть лишена ряда недостат-
ков, автор будет весьма признателен читате-
лям, которые пришлют свои замечания по
адресу: Ленинград, Невский пр., 28, Госэнерго-
издат.
Автор
К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
тер и предназначены для лиц, интересующихся
лишь эксплуатацией измерительной аппара-
туры.
В настоящее время, в связи с широким внед-
рением автоматического контроля и автомати-
ческого управления производством, назрела не-
обходимость в такой книге по электрическим
измерениям неэлектрических величин, в кото-
рой были бы в достаточной степени освещены
вопросы физико-химических основ, а также тео-
рии и расчета приборов.
Подобная книга нужна как инженерам,
эксплуатирующим приборы, так и инженерам,
участвующим в разработке и производстве
электрических приборов для измерения неэлек-
трических величин.
Вместе с тем такая книга необходима сту-
дентам втузов соответствующих специализаций.
Первая попытка в направлении создания
книги, удовлетворяющей этим требованиям
; была сделана Ф. Е. Темниковым и Р. Р. Хар-
j ченко в труде «Электрические измерения не-
I электрических величин». Однако эта работа не
вполне соответствует программам, по которым
? студенты втузов изучают данную область элек-
s троиэмерительной техники.
| Настоящая книга в основном предназначе-
I на служить учебным пособием для студентов,
; изучающих курс «Электрические измерения не-
} электрических величин».
i Первая часть книги освещает основной ма-
s териал, читаемый на лекциях по этому курсу,
а вторая и третья части охватывают материал,
необходимый для курсового проектирования и
лабораторного практикума.
При изложении материала автор пользует-
ся рациональной системой уравнений.
Автор надеется, что книга будет полезна и
инженерно-техническим работникам заводов и
научно-исследовательских учреждений, рабо-
тающим в области электрических измерений не-
электрических величин.
Автор
Введение ....................................... 9
Глава шестая
Часть первая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
Раздел первый
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Глава первая
Реостатные преобразователи
§ 1-1. Теоретические основы.................... 13
§ 1-2. Устройство реостатных преобразователей . . 14
Глава вторая
Контактные преобразователи
§ 2-1. Принцип действия и основные типы контакт-
ных преобразователей ...................... 15
§ 2-2. Требования к измерительной цепи”........ 17
Глава третья
Преобразователи контактного сопротивления
§ 3-1. Преобразователи с угольными шайбами , . 18
§ 3-2. Тензолитовые преобразователи............ 19
Глава четвертая
Проволочные преобразователи
§ 4-1. Теоретические основы. Применяемые матери-
алы ....................................... 20
§ 4-2. Крепление проволочных преобразователей . 21
§ 4-3. Чувствительность и требования к измери-
тельной цепи............................... 22
Глава пятая
Термосопротивления
§ 5-1. Общие положения......................... 22
§ 5-2. Применение термосопротивлений в приборах
для измерения скорости газового потока . . 23
§ 5-3. Применение термосопротивлений в газо-
анализаторах на принципе теплопроводности 29
§ 5-4. Применение термосопротивлеиий в приборах
для измерения вакуума...................... 32
§ 5-5. Применение термосопротивлений в приборах
для измерения температуры ................ 33
§ 5-6. Работа термосопротивлеиий в динамическом
режиме (тепловая инерция термосопротивле-
н'ий) ’. .................................. 36
Электролитические преобразователи сопротивления
§ 6-1. Теоретические основы..................... 38
§ 6-2. Компенсация температурной погрешности
электролитических преобразователей .... 40
Глава седьмая
Полярографические преобразователи
§ 7-1. Теоретические основы..................... 44
§ 7-2. Особенности применения полярографического
метода........................'........... 47
Глава восьмая
Магнитоупругие преобразователи
§ 8-1. Теоретические основы................. . 48
§ 8-2. Расчет магнитной цепи преобразователя . . 51
§ 8-3. Чувствительность магиитоупругих преобразо-
вателей .................................. 53
§ 8-4. Погрешности магнитоупругих преобразова-
телей .......................................> . 54
Глава девятая
Индуктивные преобразователи
§ 9-1. Теоретические основы. Типы индуктивных
преобразователей ......................... 56
§ 9-2. Расчет магнитной цепи преобразователя . . §8
§ 9-3. Выбор м. д. с. и числа витков катушкн,
а также частоты источника питания .... 61
§ 9-4. Погрешности индуктивных преобразователей
и выбор режима их работы.....................; 63
Глава десятая
Емкостные преобразователи
§ 10-1. Теоретические основы.................... 64
§ 10-2. Особенности использования емкостных пре-
образователей. Линейность характеристики,
влияние температуры и требования к изме-
рительной цепи................................... 66
§ 10-3. Измерительные цепи приборов с емкостны-
ми преобразователями............................ 68
Глава одиннадцатая
Фотоэлектрические преобразователи
§ 11-1. Основные характеристики фотоэлементов,
применяемых в измерительной технике » . 71
§ 11-2. Типы фотоэлектрических преобразователей ‘75
§ 11-3. Схемы включения фотоэлементов в измери-
тельную цепь................................. 76
§ 11-4. Дифференциальные фотоэлектрические пре-
образователи ............................. . 77
f Глава двенадцатая
1 Ионизационные преобразователи
j § 12-1. Теоретические основы.................... 78
I § 12-2. Примеры использования ионизационных пре-
; образователей ............................ 81
! § 12-3. Требования к преобразователю и к измери-
} телУной цепи.............................. 84
S Раздел второй
ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1 - Глава тринадцатая
Индукционные преобразователи
= § 13-1. Теоретические основы. Типы преобразовате-
5 лей....................................... 84
5 § 13-2. Температурная погрешность............... 86
j Глава четырнадцатая
j Термоэлектрические преобразователи
1 § 14-1. Теоретические основы ................... 87
i § 14-2. Материалы, применяемые для термопар . . 89
: § 14-3. Погрешность, обусловленная изменением
температуры свободных концов термопары 90
j § 14-4. Погрешность, обусловленная изменением
; температуры линии, термопары и измери-
теля ............................................. 92
”'г' Глава пятнадцатая
Пьезоэлектрические преобразователи
i § 15-1. Теоретические основы.................... 93
{ § 15-2. Требования к измерительной цепи......... 96
Глава шестнадцатая
Преобразователи электрических потенциалов
приборов для измерения концентрации водородных
j ионов (преобразователи рН-метров)
: § 16-1. Теоретические основы. Водородный показа-
; тель и пограничные потенциалы .................. 97
i § 16-2. Электродный потенциал системы металл —
1 ионы металла.............................. 99
j § 16-3. Электродный потенциал окислительно-вос-
j становительной системы....................101
1 § 16-4. Потенциал стеклянного электрода .... 103
! § 16-5. Требования к измерительной цепи .... 105
Глава семнадцатая
'] Обращенные преобразователи
; § 17-1. Принцип действия........................106
I § 17-2. Примеры использования обращенных пре-
образователей ..................................... —
Часть вторая
ОСНОВНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Раздел третий
ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
Глава восемнадцатая '
Согласование параметров отдельных частей
измерительных приборов
§ 18-1. Общие соображения..............108
§ 18-2. Общие характеристики измерительных не-
равновесных и равновесных цепей .... —
§ 18-3. Согласование параметров отдельных частей
(звеньев) измерительной цепи. Цепные схе-
мы приборов............................110
§ 18-4. Зависимость эффективности преобразования
от качества четырехполюсника и степени
согласования ................................ 113
§ 18-5. Условия максимума эффективности преоб-
разования.....................................115
§ 18-6. Пример использования метода цепных схем 116
Глава девятнадцатая
Выбор измерителя приборов для измерения
иеэлектрических величин
§ 19-1. Измерители (и указатели равновесия) по-
стоянного и переменного тока..........118
§ 19-2. Применение ламповых усилителей в сочета-
нии с различными измерителями................119
§ 19-3. Усилители постоянного тока с большим
входным сопротивлением.......................122
§ 19-4. Выбор измерителя с точки зрения его мощ-
ности .......................................127
Глава двадцатая
Цепи преобразования частоты
§ 20-1. Общие соображения...........'........128
§ 20-2. Цепи с неуправляемыми диодами........130
§ 20-3. Цепи с электромагнитными (вибрационными)
преобразователями.....................131
§ 20-4. Цепи с управляемыми диодами..........133
§ 20-5. Методы получения управляющего напряже-
ния .........................................137
Глава двадцать первая
Интегрирующие и дифференцирующие цепи
§ 21-1. Интегрирующие и дифференцирующие це-
пи с R, С, L, М.......................138
§ 21-2. Интегрирующие усилители..............140
Раздел четвертый
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Глава двадцать вторая
Мостовые неравновесные цепи постоянного тока
§ 22-1. Основные соотношения...................140
§ 22-2. Оптимальные соотношения между сопро-
тивлениями мостовой цепи при заданных
параметрах преобразователя ................... 141
§ 22-3. Оптимальные соотношения между сопротив-
лениями мостовой цепи при заданных пара-
метрах измерителя..............................144
§ 22-4. Влияние мостовой цепи на характеристику
шкалы прибора..................................145
§ 22-5. Мостовые цепи постоянного тока с лого-
метром в качестве измерителя ................. 146
§ 22-6. Простой метод расчета тока в измерителе
мостовой цепи постоянного тока при зна-
чительных изменениях сопротивления рабо-
чего плеча.....................................148
Глава двадцать третья
Мостовые неравновесные цепи переменного тока
§ 23-1. Основные соотношения...................149
§ 23-2. Цепь моста с симметрией Z\ = Z2 и Z3 =
= Z4...........................................150
§ 23-3. Цепь моста с симметрией Zj — Zs и Z2=Z4 151
§ 23-4. Мостовая цепь с измерителем весьма боль-
шого сопротивления ........................... 152
Глава двадцать четвертая
Измерительные автоматические равновесные цепи
24-1. Принцип действия и чувствительность авто-
матических компенсаторов ............. 153
'-§ 24-2. Особенности цепи автоматических компен-
саторов, служащих для измерения т. э. д. с.
термоэлектрических пирометров..................155
§ 24-3. Принцип действия автоматических мостов и
характер их шкалы..............................156
§ 24-4. Электромеханическое следящее устройство
автоматических компенсаторов и мостов
(типов СП и СМ)................................157
24-5. Ламповое следящее устройство автоматиче-
ских компенсаторов и мостов типов ЭПВ,
ЭПД, ЭПП, ЭМВ, ЭМД и ЭМП ...............160
Часть третья
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Раздел пятый
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Глава двадцать пятая
Электрические приборы для измерения линейных
размеров и перемещений (микрометры)
25-1. Индуктивные микрометры.................163
§ 25-2. Фотоэлектрические микрометры...........164
§ 25-3. Электрические приборы для измерения тол-
щин и разностенностн деталей ......... 165
Глава двадцать шестая
Электрические приборы для дистанционного
измерения уровня жидких и сыпучих тел
(уровнемеры)
'-§ 26-1. Реостатные уровнемеры..............167
§ 26-2. Индуктивные уровнемеры .............168
• § 26-3. Емкостные уровнемеры.........•. . . 171
Глава двадцать седьмая
Электрические приборы для измерения
шероховатости (чистоты) поверхности
(профилометры)
§ 27-1. Пьезоэлектрический профилометр........173
'-§ 27-2. Индукционный профилометр............174
Глава двадцать восьмая
Электрические приборы для измерения
деформаций (тензометры)
§ 28-1. Проволочные тензометры.............176
28-2. Индуктивные тензометры..............179
•§ 28-3. Струнные (электроакустические) тензо-
метры .................,.......................... —
Глава двадцать девятая
Электрические приборы для измерения
сосредоточенных сил и давлений (динамометры и
манометры)
§ 29-1. Пьезоэлектрические динамометры и мано-
метры ........................................ 181
§ 29-2. Магнитоупругие динамометры и манометры 182
§ 29-3. Емкостные динамометры и манометры . . . 183
§ 29-4. Индуктивные динамометры и манометры . . 184
Глава тридцатая
Электрические приборы для измерения вакуума
(вакуумметры)
§ 30-1. Вакуумметры с термосопротивлением (типов
ВТ-2 и ВС-1)..................................188
§ 30-2. Магнито-электроразрядиые вакуумметры . 189
§ 30-3. Ионизационный вакуумметр типа ВИ-3 ... 190
Глава тридцать первая
Электрические приборы для измерения
параметров механических колебаний
(виброметры и акселерометры)
§ 31-1. Частотные соотношения.................911
§ 31-2. Индукционные виброметры...............193
§ 31-3. Акселерометры.........................195
Глава тридцать вторая
Электрические приборы для измерения
крутящего момента (торзиометры)
§ 32-1. Индуктивные торзиометры без контактного
устройства....................................197
§ 32-2. Индукционные торзиометры..............198
Глава тридцать третья
Электрические приборы для измерения скорости
вращения (тахометры)
§ 33-1. Индукционные тахометры................201
§ 33-2. Электроимпульсные тахометры...........206
§ 33-3. Стробоскопические тахометры...........208
Раздел шестой
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Глава тридцать четвертая
• Термометры сопротивления и
термоэлектрические пирометры
§ 34-1. Общие соображения. Температурная шкала 209
§ 34-2. Преобразователи промышленных термомет-
ров сопротивления ........................... 211
§ 34-3. Измерительные цепи термометров сопротив-
ления. Температурная погрешность .... 214
§ 34-4. Промышленные термоэлектрические пиро-
метры .................................'. . . 216
§ 34-5. Конструкции термопар..................218
§ 34-6. Термостатирование свободных концов тер-
мопары. Автоматическое введение поправки
на температуру свободных концов .... 221
§ 34-7. Погрешность, обусловленная тепловыми по-
терями преобразователей термометров со-
противления и термоэлектрических пиромет-
ров .................................. • • •
§ 34-8. Монтаж термопар и преобразователей тер-
мометров сопротивления ...................... 226
§ 34-9. Отсасывающие и обогревные термопары . . —
§ 34-10. Тепловая инерция преобразователей термо-
метров сопротивления и термоэлектриче-
ских пирометров при мгновенном (разовом)
изменении температуры среды....................227
•§ 34-11. Измерение температуры твердых тел и по-
верхностей .................................229
Глава тридцать пятая
Пирометры, использующие лучистую
энергию нагретых тел
§ 35 1. Зависимость параметров излучения абсо-
лютно черного тела от температуры ... 231
§ 35-2. Оптические пирометры .............. . 234
§ 35-3. Погрешности и введение поправок к пока-
заниям оптического пирометра на неполно-
ту излучения................•...............237
§ 35-4. Радиационные пирометры.............238
§ 35-5. Погрешности н монтаж радиационных пиро-
метров .....................................240
§ 35-6. Цветовые пирометры н их погрешности . . 242
§ 35-7. Фотоэлектрические яркостные пирометры 244
§ 35-8. Фотоэлектрические цветовые пирометры . . 246
Раздел седьмой
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИИ ЖИДКИХ И
ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД
Глава тридцать девятая
Электрические приборы для измерения концентрации
по поглощению и рассеянию лучистой энергии
(колориметры, дымнемеры)
§ 39-1. Зависимость поглощения и рассеяния лучи-
стой энергии от состава жидкостей и газов 258 •
§ 39-2. Общая характеристика методов измерения
состава, использующих поглощение и рас-
сеяние лучистой энергии ............... 260
§ 39-3. Фотоэлектрические колориметры.........261
§ 39-4. Колориметры, использующие тепловой эф-
фект лучистой энергии ................. 263
§ 39-5. Электрические дымномеры................
Глава сороковая
Электрические газоанализаторы
§ 40-1. Электрические газоанализаторы на прин-
ципе теплопроводности........................ . . 265
§ 40-2. Электрические газоанализаторы на принци-
пе измерения теплоты химической реакции
(каталитические) .............................. 269
§ 40-3. Оптико-акустнческие газоанализаторы . . . 272
§ 40-4. Магнитные газоанализаторы................275
Глава тридцать шестая
Электрические концентратометры на принципе
электропроводности
§ 36-1. Соленомеры............................247
§ 36-2. Концентратометры для измерения концент-
рации кислот и щелочей........................252
Глава тридцать седьмая
Электрические рН-метры
§ 37-1. pH-метр с сурьмяным электродом........253
§ 37-2. pH-метр со стеклянным электродом .... 255
§ 37-3. Градуировка pH-метров. Буферные растворы 256
Глава тридцать восьмая
Полярографы
§ 38-1. Визуальные полярографы................257
§ 38-2. Автоматические полярографы............258
Глава сорок первая
Масс-спектрометры
§ 41-1. Принцип действия.........................277
§ 41-2. Применение масс-спектрометров для конт-
роля утечки аппаратов высокого вакуума
методом измерения концентрации гелия в
воздухе.......................................• 279
Глава сорок вторая
Электрические приборы для измерения влажности
§ 42-1. Электрические приборы для измерения
влажности твердых тел (влагомеры) . . . 280
§ 42-2. Электрические приборы для измерения
влажности газов............................. 283
Литература....................................288
Алфавитный указатель........................ 291
ВВЕДЕНИЕ
Электрические измерения неэлектрических
величин представляют собой весьма обширную
область измерительной техники, охватывая из-
мерения практически всех величин, служащих
для оценки различных физических и химиче-
ских явлений и производственных процессов.
Развитие науки неразрывно связано с раз-
витием измерительной техники. Измерение, как
процесс познания путем опыта качественной и
количественной стороны любого явления, лю-
бой закономерности, своими возможностями
(в отношении точности, чувствительности, диа-
пазона измеряемой величины) определяет
в значительной степени и развитие науки. Чем
более высокого уровня достигала измеритель-
ная техника, тем шире и глубже оказывались
достижения науки. С другой стороны, развитие
науки создавало новые предпосылки, новые пу-
ти и возможности для развития измерительной
техники.
Совершенно аналогичная взаимосвязь на-
блюдается между развитием производства и
измерительной техники. Современное производ-
ство, особенно в условиях социалистического
планового хозяйства, характеризуется стро-
жайшим соблюдением технологии и широким
внедрением автоматического управления произ-
водственными процессами. И то и другое может
быть обеспечено лишь при помощи измеритель-
ной техники, путем измерения тех параметров,
которые характеризуют каждый участок, каж-
дый узел того или иного технологического про-
цесса. Поэтому современные советские заводы
в металлургической, химической, нефтеперера-
батывающей, текстильной, пищевой, металло-
обрабатывающей промышленности, а также за-
воды других отраслей промышленности насы-
щены разнообразными измерительными прибо-
рами, служащими для контроля и управления
процессами производства. С другой стороны, до-
стижения производства обеспечивают получе-
ние новых материалов и более точное изготов-
ление деталей приборов, что открывает все бо-
лее широкие возможности для развития изме-
рительной техники.
Измерение того или иного параметра, ха-
рактеризующего тот или иной производствен-
ный процесс, сводится к измерению ограничен-
ного числа физических величин: температуры,,
механических величин (сила, давление, переме-
щение, скорость, ускорение и т. д.), концентра-
ции компонент жидкой или газовой среды, вре-
мени, различных электрических величин (тока,,
напряжения, частоты, электрической мощности
и т. п.).
Характерным для современного1 развития
измерительной техники является широкое при-
менение электроизмерительной аппаратуры для
измерения практически всех физических вели-
чин, в том числе и неэлектрических (темпера-
туры, механических величии и т. д.). Объяс-
няется это обстоятельство рядом общеизве-
стных достоинств, присущих электроизмери-
тельной аппаратуре: возможностью непрерыв-
ного во времени измерения и записи измеряе-
мой величины, возможностью осуществления
дистанционного измерения и связи (через ре-
ле) с исполнительным механизмом системы
управления производственным процессом, вы-
сокой точностью и чувствительностью измере-
ния, широким диапазоном пределов измерения
как в сторону весьма больших значений, так и
в сторону весьма малых значений измеряемой
величины.
При использовании электрической аппарату-
ры для измерения неэлектрических величин по-
является ряд специфических задач, свойствен-
ных этой области измерительной техники. К по-
добным задачам следует прежде всего отнести
задачу преобразования измеряемой неэлектри-
ческой величины в электрическую. Элемент
измерительного устройства, выполняющий
функцию такого преобразования, мы будем:
называть преобразователем.
Подобные преобразователи используют за-
висимость того или иного электрического па-
раметра твердого, жидкого или газообразного
тела от измеряемой величины, например, зави-
симость электрического сопротивления от тем-
пературы.
Основная структурная схема прибора для
измерения неэлектрической величины электри-
ческим методом может быть изображена так,
как это показано на фиг. 1. Преобразователь
через измерительную цепь связан с электроиз-
мерительным прибором, шкала которого гра-
дуируется в единицах измеряемой неэлектриче-
ской величины. Для того чтобы удобнее отли-
Фиг. 1. Структурная схема электрического прибора
для измерения неэлектрических величин
•чать понятие электроизмерительного прибора
(амперметр, вольтметр, гальванометр и т. д.)
от понятия измерительного прибора в целом,
мы будем электроизмерительный прибор назы-
вать в дальнейшем измерителем.
Источник электрической энергии в общем
случае питает все три основных элемента при-
бора. В частном случае может оказаться доста-
точным питать от источника электрической
энергии только измерительную цепь, а в ряде
случаев преобразователь сам является источ-
ником электрической энергии для цепи и изме-
рителя (например термопара в термоэлектри-
ческих пирометрах); в последнем случае на-
добность в отдельном (вспомогательном) источ-
нике тока отсутствует.
Преобразователи, в которых измеряемая не-
электрическая величина преобразуется в такие
электрические параметры, как электрическое
•сопротивление, индуктивность, емкость, для из-
мерения которых обязательно требуется нали-
чие вспомогательного источника тока, мы бу-
дем называть параметрическими пре-
образователями. Преобразователи же, в кото-
рых измеряемая неэлектрическая величина
преобразуется в э. д. с., мы будем называть
генераторными преобразователями.
Следует отметить, что в некоторых случаях
используются так называемые обращен-
ные преобразователи, в которых электриче-
ская величина преобразуется в неэлектриче-
скую с тем, чтобы эту последнюю сравнить с
измеряемой' неэлектрической величиной; значе-
ние электрической (входной) величины, соот-
ветствующее равенству неэлектрического пара-
метра на выходе преобразователя измеряемой
неэлектрической величине, зависит, следова-
тельно, от измеряемой неэлектрической вели-
чины.
Измерительная цепь в простейшем случае
представляет собой провода, соединяющие пре-
образователь с измерителем (например в тер-
моэлектрическом пирометре с милливольтмет-
ром в качестве измерителя). Если электриче-
ский параметр преобразователя измеряется мо-
стовым или компенсационным методом, измери-
тельная цепь, соответственно, усложняется.
Часто измерительная цепь усложняется
узлами, выполняющими такие функции, как
стабилизация напряжения источника питания,
выпрямление переменного тока на выходе цепи
(перед измерителем), усиление тока или напря-
жения на выходе мостовой или компенсацион-
ной цепи и т. д.
Как правило, электрический параметр пре-
образователя зависит не только от измеряемой
неэлектрической величины, но и от других фи-
зических или химических свойств объекта из-
мерения, а так^е от физических свойств окру-
жающей среды. Например, сопротивление
металлической проволоки зависит не только
от температуры, но и от механических дефор-
маций проволоки под воздействием растяги-
вающей силы. Если использовать зависимость
сопротивления проволоки от растягивающей
силы для измерения последней, то необходимо
компенсировать изменение сопротивления про-
волоки, обусловленное изменением окружаю-
щей температуры. Задача компенсации влия-
ния зависимости электрического параметра
преобразователя от различных (неизмеряемых)
свойств объекта измерения и окружающей сре-
ды предъявляет ряд требований не только
к преобразователю, но и к остальным элемен-
там измерительного устройства: измерительной
цепи, измерителю.
Развитие и широкое внедрение в практику
разнообразных электрических приборов для
измерения неэлектрических величин в нашей
социалистической промышленности и науке '
обязано творческой работе советских ученых и
инженеров. В тексте книги указаны авторы
различных методов измерения и приборов.
Решения XIX съезда партии, пятой сессии
Верховного Совета СССР, сентябрьского пле-
нума ЦК КПСС поставили как перед тяжелой
промышленностью, так и, в особенности, перед
легкой и пищевой промышленностью, перед
сельским хозяйством Советского Союза задачу
максимальной интенсификации производства.
Однако интенсификация производства немыс-
лима без автоматического контроля технологии
.производства, без оснащения заводов и фабрик
современной контрольно-измерительной аппа-
ратурой, в основном электрическими прибора-
ми для измерения различных неэлектрических
величин.
Интенсификация сельского хозяйства также
требует применения различных электрических
.приборов измерения неэлектрических величин
как для измерений температуры, влажности,
силы ветра вблизи почвы, так и для контроля
работы многочисленных машин.
Таким образом, роль электрических прибо-
ров для измерения неэлектрических величин бу-
дет непрерывно возрастать; тем самым со
всей актуальностью ставится задача дальней-
шей систематизации и разработки как теории,
так и практики электрических методов измере-
ния неэлектрических величин.
Исключительное многообразие приборов и
аппаратуры, применяемых в технике электриче-
ских измерений неэлектрических величин, край-
не затрудняет классификацию этих приборов,
а следовательно, и построение и изложение ма-
териала настоящей книги.
Охватить все вопросы, связанные с преоб-
разователями, измерительными цепями и изме-
рителями электрических приборов для измере-
ния неэлектрических величин, в объеме на-
стоящей книги невозможно, да и вряд ли целе-
сообразно. Вопросы теории, расчета и конструк-
ций измерителей, т. е. электроизмерительных
приборов, рассматриваются в других книгах,
так же как и общие вопросы методов электри-
ческих измерений и измерительных цепей По-
этому основную задачу настоящей книги мы
видим в рассмотрении различных типов преоб-
разователей, а также измерительных цепей,
характерных для электрических измерений не-
электрических величин.
Преобразователи наиболее целесообразно
классифицировать по принципу их действия, не-
зависимо от их назначения. Первая часть кни-
ги и посвящена изложению теории и основных
характеристик преобразователей.
Вторая часть книги посвящена измеритель-
ным цепям, наиболее часто применяемым
в электрических приборах для измерения не-
электрических величин, причем особое внима-
ние уделено автоматическим компенсаторам и
мостам.
Другой важной задачей книги мы пола-
гаем рассмотрение наиболее типовых электри-
ческих приборов для измерения неэлектриче-
ских величин и их эксплуатационных характе-
ристик. С этой точки зрения наиболее интерес-
но сопоставление различных методов и прибо-
ров, служащих для измерения одной и той же
неэлектрической величины. Поэтому третья
часть книги, посвященная рассмотрению типо-
вых электрических приборов для измерения не-
электрических величин, наиболее распростра-
ненных в советской промышленности, а также
новых приборов, имеющих серьезные перспек-
тивы широкого внедрения в практику, построе-
на по признаку измеряемой неэлектрической
величины.
Часть первая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
Раздел первый
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Глава первая
РЕОСТАТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 1-1. Теоретические основы
Реостатные преобразователи, как показы-
вает само название, представляют собой рео-
стат, движок которого перемещается под воз-
действием измеряемой неэлектрической вели-
чины F (линейного или углового перемещения).
Таким образом, создается зависимость
где R—сопротивление преобразователя.
Реостатные преобразователи могут быть
включены в любую цепь, служащую для изме-
рения сопротивления.
Нафиг. 1-1 показаны схемы наиболее типич-
ных цепей приборов с реостатными преобра-
зователями. Ток в цепи фиг. 1-1,а равен:
I — и
Rr + Ri '
Зависимость Ц— fi(Ri), а следовательно,
и зависимость имеет гиперболический
характер, и нуль шкалы’ не совпадает с соб-
ственным нулем прибора.
При выборе соотношения между Rr и Ri
следует исходить из соображений чувстви-
тельности к току, линейности, используемой
длины шкалы прибора и обеспечения нужного
успокоения рамки измерителя.
Как правило, некоторые участки реостата
с обоих концов являются нерабочими.
В схеме фиг. 1-1,6 напряжение U\ равно:
U—U Ri±Rr — U R1Rr _
R}Rr -и (Ri + R^ + R^r ~
где
R = Rl-^-R2.
Из этого выражения можно сделать сле-
дующие выводы:
1) если R < Rr (а следовательно, и R2 < Rr),
то UX = U^,
о и о
Фиг. 1-1. Принципиальные схемы цепей
приборов с реостатными преобразователями
у- и характеристика U\ =
1 1 _______ = f(l) будет-практиче-
ски линейной;
[ 2) если R сравнимо
/ или больше, чем Rr,
J то характер кривой
J> U\==f (I) будет иметь
. „ ,,__,,,. вид, изображенный на
Фиг. 1-2. Кривая (71 = f (/) фи£ н
Как ток Ii, так и напряжение Ui зависят,
как это видно из приведенных формул, от
постоянства напряжения U источника питания,
поэтому наиболее часто используется цепь,
изображенная на фиг. 1 -1,в, с логометром в ка-
честве измерителя, поскольку отклонение лого-
метра, являющееся функцией отношения токов,
а следовательно, и перемещения I движка
»=/ (£) =/,(£)=/(/).
практически не зависит от напряжения U источ-
ника питания.
Характер шкалы, т. е. вид зависимости
а =/(/), удобно изменять, воздействуя на фор-
му полюсных наконечников или сердечника
измерительного механизма логометра. В ряде
случаев реостатный преобразователь образует
два плеча (фиг. 1-1,г), либо, в случае исполь-
зования сдвоенного преобразователя, четыре
плеча моста (фиг. 1-1,д).
Фиг. 1-3. Профилированные реостатные
преобразователи
'Во многих случаях, особенно когда зависи-
мость перемещения I движка от измеряемой
механической величины нелинейна, приходится
и функции Л =/(/), Ui=f(l) или !±- —f(i)
также задавать нелинейными, с тем, чтобы
функция a=f(F) была линейной.
В подобных случаях реостатные преобра-
зователи выполняют либо профилированными,,
либо с неравномерной по сопротивлению на-
моткой (фиг. 1-3).
Расчет преобразователей с заданной нели-
нейностью достаточно сложен. Некоторые-
приемы расчета подобных сопротивлений при-
ведены в [Л. 32].
§ 1-2. (Устройство реостатных
преобразователей
Реостатные преобразователи выполняются
как с проволокой, намотанной на каркас, так
и реохордного типа.
В качестве материала для проволоки чаще
всего применяют манганин или константан; при-
меняется также фехраль. В особо ответствен-
ных случаях, когда требования к износоустой-
чивости контактной поверхности особенно вы-
соки, или когда контактные давления очень
малы, применяют сплав платины с иридием
(90% Pt-% 10% 1г), либо сплавы платины с пал-
ладием, рубидием, рутением, осмием.
Провод реостата должен быть покрытым,
либо эмалью, либо слоем окислов, изолирую-
щих соседние витки друг от друга.
Движок (щетка) выполняется либо из двух-
трех проволок, изготовленных из сплава плати-
ны с иридием, или из платины с бериллием,,
либо в виде пластинчатых щеток из серебра
или фосфористой бронзы. В случае проволоч-
ных щеток контактное усилие должно быть по-
рядка 0,3—0,5 Г, а в случае пластинчатых
щеток 5—10 Г.
Контактная поверхность намотанной прово-
локи полируется; ширина контактной поверх-
ности движка должна быть равна двум-трем
диаметрам проволоки.
При работе реостатного преобразователя
в условиях вибраций, применяют щетки из про-
волок различной длины (от точки крепления
до точки контакта) или пластины с двумя-
тремя надрезами. Этим обеспечивается разная
собственная частота вибраций отдельных ча-
стей щетки.
Каркас реостатного преобразователя выпол-
няется обычно из текстолита или пластмассы;
применяются также каркасы из алюминия, по-
крытого изоляционным лаком. Формы каркаса
весьма разнообразны: в виде плоской или ци-
линдрической пластины, плоского или цилин-
дрического кольца, плоского сегмента и т. д.
Индуктивное и емкостное сопротивления
реостатных преобразователей весьма малы; ре-
активное сопротивление преобразователя мож-
но не принимать во внимание до частот поряд-
ка нескольких десятков тысяч герц.
В качестве примера, на фиг. 1-4 показано
устройство профилированного реостатного пре-
образователя.
На каркас 1 из изоляционного материала
равномерным шагом намотана проволока 2.
Изоляция проволоки на верхней грани карка-
са зачищается, и по металлу проволоки сколь-
зит щетка 3. Добавочная щетка 4 скользит по
токосъемному кольцу 5. Обе щетки изолиро-
ваны от приводного валика 6.
Фиг. 1-4; Устройство
профилированного
реостатного преобра-
зователя
Другим примером реостатного преобразова--
теля является преобразователь бензиномера,.
описанный в §' 26-1.
Г лава втсрач
КОНТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 2-1. Принцип действия и основные типы
контактных преобразователей
В контактных преобразователях измеряемое
механическое перемещение управляет электри-
ческой цепью путем замыкания или размыка-
ния контактов.
Фиг. 2-1. Основные типы контактных
преобразователей
В простейшем случае контактный преобра-
зователь является однопредельным и имеет
одну пару контактов (фиг. 2-1,а), замыкание
которых происходит в функции измеряемого пе-
ремещения, например изменения
лия 1.
При контроле размеров чаще
зуются двухпредельные контактные преобразо-
ватели с двумя парами контактов (фиг. 2-1,6)..
Встречаются конструкции
многопредельных преобразова-
телей с несколькими парами
контактов (фиг. 2-1,в); контак-
ты могут быть расположены
как с обеих сторон якоря, так
и с одной его стороны.
Контактные преобразовате-
ли могут работать либо на за-
мыкание (или размыкание)
всей цепи, либо на замыкание
части одного из сопротивлений
цепи (фиг. 2-1,г). В последнем
случае контактный преобразо-
ватель представляет собой по
существу реостатный преобра-
зователь со ступенчатым изме-
нением его сопротивления.
С целью увеличения чувст-
вительности контактного пре-
образователя применяют ры-
чажную передачу, увеличиваю-
щую перемещение контактов
(т. е. якоря) по сравнению
с перемещением штока преоб-
разователя.
На фиг. 2-2 показано уст-
ройство рычажного контактно-
го преобразователя микромет-
ра [Л. 77]. Шток 1, скользящий
в корпусе 2, имеет центральный
паз, в который входит короткое
плечо рычага 3, прикрепленно-
го к корпусу плоской пружи-
размера изде-
всего исполь-
9
19
8
7
6
Ч
3
Фиг. 2-2. Кон-
тактный рычаж-
ный преобразо-
ватель
ной 4. Точка соприкосновения рычага 3 со.
штоком находится очень близко от оси штока,
вследствие чего возможный перекос штока
в направляющих не вызывает перемещения
рычага 3. При подъеме штока 1 рычаг 3
перемещается влево и замыкает левую пару
контактов. Пружина 5 возвращает шток в ниж-
нее положение, при котором замкнута правая
лара контактов.
Регулируемые контакты находятся на угло-
вых рычагах 6, закрепленных при помощи
плоских пружин 7. Для уменьшения влияния
Фиг. 2-3. Зависимость пробивного
напряжения Ud от расстояния /
между плоскими контактами в
воздухе при атмосферном давлении
зазора регулировочных винтов 8 последние
прижимаются к гнездам центральным винтом
с помощью шариков 9 и промежуточных стерж-
ней 10.
Порог чувствительности преобразователя
определяется, в основном, минимальным рас-
стоянием Я между контактами. Минимальный
зазор ограничивается опасностью пробоя и
зависит от напряжения, приложенного к кон-
тактам.
Напряжение, приложенное к контактам,
должно быть ниже напряжения, при котором
начинается самостоятельный разряд между
контактами (пробой). Эта величина напряже-
ния зависит от расстояния между контактами,
•формы и материала контактов и контактного
.давления. В качестве примера, на фиг. 2-3 при-
ведена кривая зависимости пробивного напря-
жения Ud от расстояния I между плоскими
контактами в воздухе при атмосферном давле-
нии. Величина пробивного напряжения сни-
жается при загрязнении контактов и образова-
нии на них оксидной пленки.
Контакты являются наиболее ответственной
деталью преобразователя. Материал, конструк-
ция и выполнение контактов, а также режим их
работы определяют как точность, так и надеж-
ность и стабильность работы преобразователя
но времени.
В результате возникновения дуги (или
искры) между контактами происходит износ
контактов (эрозия). Однако эрозия может
иметь место и при отсутствии дуги или искры;
при весьма малых расстояниях между контак-
тами (меньших длины свободного пробега
электронов) между ними создается электроста-
тическое поле значительного градиента (при
напряжении 10 в и расстоянии между контак-
тами в 1 мкн градиент поля равен
ilOO ООО в/см). Электроны, вырываемые с като-
да этим полем, бомбардируют анод, разрых-
ляют его, вследствие чего ионы анода перено-
сятся на катод; на катоде образуется выступ,
а на аноде — углубление.
При медленном размыкании контактов на-
блюдается возникновение металлических мо-
стиков из материала анода.
Уменьшения влияния эрозии можно добить-
ся соответствующим выбором материала кон-
тактов, расстояния между ними и электриче-
ских параметров цепи, замыкаемой контак-
тами.
Разрушение контактной поверхности может
произойти также вследствие коррозии, т. е.
образования оксидных, сульфидных и других
пленок на контактах. Эти пленки плохо прово-
дят ток, вследствие чего переходное сопротив-
ление контактов возрастает и при малых кон-
тактных давлениях может достигнуть беско-
нечности. Поэтому контактное усилие следует
выбирать не менее 30 Г.
Платиновые контакты не подвергаются кор-
розии, но сильно подвержены эрозии (даже
при отсутствии искры и дуги). Кроме того
твердость, а следовательно, и износоустойчи-
вость их невелика.
Платино-иридиевые контакты обладают
значительной твердостью, однако, как и плати-
новые, эти контакты подвержены эрозии.
Широкое применение нашли вольфрамовые
и молибденовые контакты; эти материалы об-
ладают высокой твердостью и не подвергаются
эрозии (в отсутствии искры), однако вслед-
ствие окисления (коррозии) переходное сопро-
тивление их с течением времени растет. При
контактном усилии 30—50 Г вольфрамовые кон-
такты дают хорошие результаты.
Для рычажных контактных преобразовате-
лей, в которых контактное усилие обычно не
выше 15—20 Г, применяют чаще всего платино-
иридиевые контакты или контакты на палла-
диевой основе.
Вольфрамо-платиноиридиевые сплавы обла-
дают высокой твердостью и устойчивы против
эрозии и коррозии.
При работе контактов в цепях постоянного
тока часто применяют для катода и анода раз-
ные материалы (анод из платины, серебра или
ллатиноиридия, а катод из вольфрама или мо-
либдена) .
Контакты в преобразователях обычно имеют
•сферическую поверхность (часто один из кон-
тактов— плоский). У подобных контактов кон-
тактная точка образуется близко к центральной
точке сферической поверхности контакта и по
мере износа превращается в небольшую пло-
щадку круглой формы.
§ 2-2. Требования к измерительной цепи
Во избежание образования дуги или искры
мощность в цепи, разрываемой контактами, не
должна превосходить 100—150 мет. Поэтому
•основным требованием к измерительной цепи
прибора с контактными преобразователями
является требование малой мощности измери-
теля, включаемого в цепь контактов. Таким из-
мерителем является, например, сигнальная
лампа тлеющего разряда.
Если же измеритель расходует мощность,
превышающую 100—150 мет (например, сорти-
• рующие устройства), то контакты включаются
в цепь сетки электронной лампы, а измеритель
цепь анода лампы.
Фиг. 2-4. Измерительная цепь, в
которой сигнальные лампы включены
непосредственно в пепь контактов
Для увеличения срока -службы- контактов
путем уменьшения износа контактов во время
подготовки прибора к работе, в измерительной
цепи прибора с контактным преобразователем
предусматривается обычно ключ, включающий
напряжение на контакты лишь непосредственно
перед измерением. В автоматических приборах
2 А. М. Туричин.
с контактными преобразователями ключ замы-
кается с помощью кулачка, находящегося на
распределительном валу автомата.
В качестве примера измерительной цепи,
в которой измеритель включен непосредственно
в цепь контактов, на фиг. 2-4 показана измери-
тельная цепь прибора для разбраковки изде-
лий на три группы: годен, брак+, брак-. В ка-
Фиг. 2-5. Измерительная цепь,
в которой контакты включены
в цепи сетки электронных ламп
честве сигнальных ламп использованы неоно-
вне лампы, потребляющие мощность порядка
80—150 мет (1—1,5 ма при 80—100 в).
В случае отсутствия замыкания контактов,
напряжение, достаточное для зажигания, полу-
чает только средняя лампа. При замыкании
верхнего контакта напряжение, достаточное
для зажигания, получает только верхняя лампа,
а при замыкании нижнего контакта загорается
только нижняя лампа:
Ключом К замыкают измерительную цепь
после того как изделие установлено, непосред-
ственно перед измерением.
В качестве примера включения контактного
преобразователя в цепь сетки лампы на фиг.
2-5 показана измерительная цепь сортирующего
автомата с ламповыми усилителями, питаемы-
ми переменным током.
При контроле годных деталей обе лампы
отперты и оба электромагнита, катушки кото-
рых Р1 и Р2 включены в анодные цепи ламп,
возбуждены. При наличии брака, т. е. при за-
мыкании одного из контактов, соответствующая
лампа запирается и электромагнит отпускает
свой якорь, производя отбраковку детали.
Питание цепи контактов производится через
ключ Д, работающий от кулачка, расположен-
ного на распределительном валу автомата.
При необходимости получения значительной
мощности в электромагните разбраковочного
автомата, используются усилители на тиратро-
нах. .
Глава третья
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
§ 3-1. Преобразователи с угольными
шайбами
Преобразователь представляет собой стол-
бик из угольных шайб 1 (фиг. 3-1), зажатый
между двумя винтами 2 и 3, связанными ме-
таллической рамой 4.
Фиг. 3-1. Преобразователь
с угольными шайбами
Столбик изолирован от
металлических шайб 5
прокладками 6 из слю-
ды. К медным шайбам
7 припаяны выводы.
Измеряемая сила Р
действует на стержень
3, сжимая столбик из
угольных шайб. Благо-
даря этому изменяется
сопротивление столби-
ка вследствие измене-
ния, в основном, кон-
тактного сопротивления
между поверхностями
шайб.
Контактное сопротивление между поверхно-
стями двух твердых тел в значительной степе-
ни зависит как от обработки поверхности, так
и от давления одного тела на другое. При
пришлифованных поверхностях и при малом
давлении два тела, в нашем случае две уголь-
ные шайбы, соприкасаются в небольшом числе
точек, вследствие чего контактное сопротивле-
ние между шайбами будет велико. При увели-
чении давления происходит смятие материала
соприкасающихся тел, и площади элементарных
контактных поверхностей увеличиваются. Одно-
временно оба контактных тела сближаются, что
приводит к возникновению контакта в новых
точках. В результате контактное сопротивление
с увеличением давления уменьшается. Измене-
ние сопротивления и деформаций столбика
с угольными шайбами в функции от давления
показано на фиг. 3-2 (для одного из выполнен-
ных приборов).
Угольные шайбы изготовляются из электрод-
ных углей, удельное сопротивление которых
р — 30 4- 100 ом • мм2/м. Диаметр шайб 5—
10 мм, толщина 1—2 мм. Обычно применяют
столбики не меньше чем из 10—15 шайб. По-
верхности шайб тщательно шлифуются и
предохраняются от загрязнения, особенно мас-
лами.
Преобразователи с угольными шайбами
должны работать с некоторым начальным дав-
лением, ибо при отсутствии его сопротивление
столбика становится неопределенным. В преоб-
разователе, изображенном на фиг. 3-1, началь-
ное давление создается винтом 2. Величина
начального давления выбирается с таким рас-
четом, чтобы преобразователь работал по воз-
можности на более линейном участке кривой.
R = f(P). Обычно начальное давление дости-
гает 20—25 кГ1см2 при максимальном рабочем
давлении, не превышающем 50—60 кПсм2. При
больших значениях давления чувствительность
преобразователя весьма мала. Кроме того,
давление, превышающее 60 кГ/см2, опасно
допускать из соображений прочности стол-
бика.
Сопротивление преобразователя с угольны-
ми шайбами в значительной степени зависит
от температуры. Во-первых, уголь имеет отри-
цательный температурный коэффициент. Кроме
того, рама с увеличением температуры расши-
ряется, вследствие чего начальное давление
уменьшается. Оба фактора оказывают противо-
положное действие на величину сопротивле-
ния столбика; однако второй фактор дей-
ствует сильнее, и сопротивление столбика с ро-
стом температуры обычно несколько увеличи-
вается.
о Сопротивление
Фиг. 3-2. Зависимость сопротивления и деформа-
ции столбика с угольными шайбами от давления
Значительно лучшими свойствами в отноше-
нии характера шкалы и температурной погреш-
ности обладают преобразователи с двумя уголь-
ними столбиками дифференциального типа
(фиг. 3-3). Под действием измеряемого дав-
ления Р деформации у обоих столбиков
имеют противоположные знаки; оба столби-
ка включаются в ’ соседние плечи одинарного
моста.
Винт 1 служит для регулирования началь-
ного сжатия столбиков. Измеряемое давле-
ние Р передается консольно укрепленной бал-
ке 2.
соседние плеча моста,
Фиг. 3-3. Дифференциаль-
ный преобразователь с
угольными шайбами
Влияние температуры на сопротивления
двух одинаковых столбиков, включенных в два
практически компенси-
руется. Характер шка-
лы также значительно
улучшается по сравне-
нию с преобразователя-
ми, имеющими один
угольный столбик.
Основным недостат-
ком преобразователей
с угольными шайбами
является наличие меха-
нического гистерезиса,
вследствие чего кривая
Р = f (Р) при возра-
стающем давлении от-
лична от такой же кри-
вой при убывающем
давлении. Погрешность,
обусловленная гистере-
зисом при статической
нагрузке, может дости-
гать 3—7%. При динамической нагрузке гисте-
резис сказывается меньше, поэтому преобразо-
ватели, предназначенные для работы в дина-
мических условиях, целесообразно градуиро-
вать динамическими методами, что представ-
ляет, однако, значительные трудности.
I'
§ 3-2. Тензолитовые преобразователи
Тенэолитом называется смесь порошка гра-
фита или сажи с бакелитовым лаком. Эта
масса выпрессовывается через тонкие отверстия
(фильеры); получившаяся тонкая нить разре-
зается на куски и высушивается.
Концы выводных проводников вставляются
в торцовые поверхности нити еще до ее высы-
хания; таким образом после сушки получается
тонкая нить (столбик) из тензолита с медными
выводами для включения его в электрическую
цепь.
Подобный преобразователь в виде тонкой
нити приклеивается по всей своей длине к тон-
кой бумаге, последняя же приклеивается
2*
к испытуемой детали, деформации (и напряже-
ния) которой подлежат измерению. В качестве
клея часто применяют смесь жидкого стекла
с тальком.
Приклеивание должно быть произведено
столь тщательно, чтобы преобразователь пол-
ностью воспринимал все деформации испытуе-
мой детали. * Тогда при растяжении тензоли-
товой нити ослабляется контакт между части-
цами графита и сопротивление нити увеличи-
вается. При деформации сжатия, наоборот,
сопротивление нити уменьшается.
Исследования показали, что относительное
изменение сопротивления тензолитовой нити
Д/?//? практически пропорционально относи-
тельной деформации Д/// детали и что отно-
сительная чувствительность k, равная
Д/?’
I
достигает 20 и выше.
Сопротивление тензолитовых преобразова-
телей обычно равно сотням ом, а иногда дости-
гает 1 000 ом и более.
Недостатком тензолитовых преобразовате-
лей является значительный механический ги-
стерезис.
Тензолитовые преобразователи — это преоб-
разователи разового действия. Будучи при-
клеены на деталь, они не могут быть затем
с нее сняты. Если не представляется возмож-
ным градуировать наклеенный на- деталь пре-
образователь, то градуировку производят на
градуировочном устройстве с другим преобра-
зователем, имеющим по возможности одинако-
вые параметры с рабочим преобразователем.
Необходим, следовательно, отбор партии оди-
наково изготовленных преобразователей, с оди-
наковыми сопротивлениями и точное соблюде-
ние технологии крепления.
Для тензолитовых преобразователей эти
требования могут быть выполнены лишь
приблизительно. Погрешность, обусловленная
различием параметров градуируемого и рабо-
чего преобразователей, может иногда дости-
гать 10—20%.
* Более подробно о креплении преобразователей
при помощи клея см. § 4-2, где этот вопрос изложен
применительно к более распространенным проволочным
преобразователям.
Глава четвертая
ПРОВОЛОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 4-1. Теоретические основы. Применяемые
материалы
Устройство проволочных преобразователей
изображено на фиг. 4-1. На полоску тонкой
бумаги укладывается зигзагообразно и при-
клеивается тонкая проволока (диаметр 0,02—
&,04 мм) высокого удельного сопротивления.
К концам проволоки привариваются выводные
проводники из медной фольги, сверху проволо-
ки снова приклеивается бумага.
По А-А
Фиг. 4-1. Проволочный
преобразователь
Преобразователь приклеивается к поверхно-
сти детали, деформации которой подлежат из-
мерению, особыми клеящими составами так,
что проволока воспринимает деформации испы-
туемой детали, вследствие чего изменяется со-
противление проволоки. Длина детали, зани-
маемая проволокой, является измерительной
базой преобразователя.
В 1881 г. русский физик О. Д. Хвольсон
впервые показал, что при деформации прово-
локи изменяются не только размеры, но и ее
удельное сопротивление р. Действительно,
если бы значение р не зависело от деформации
проволоки, то мы имели бы
г\ _ Z j П ____
/? = р — Д/?=р-------
' rs г з з2
и
Д/? Д/ Дз Д/ „Дг
/? — Z V —Т— г ’
где I — длина проволоки;
5 — сечение проволоки;
г — радиус проволоки.
Так как
Дг Д/
7 = -'17’
где [л — коэффициент Пуассона, равный для
металлов от 0,24 до 0,40, то
ДЯ । 9 ч Д/
и относительная чувствительность приемника
k, равная
ДК
4=4-=1 + 2!..
Z
не выходила бы за пределы k = 1,48-4-1,8.
Однако значения k для различных материалов,
определенные экспериментально, выходят за
указанные пределы—имеют место k меньшие
1,48 и k большие 1,8. Поэтому в действитель-
ности имеем:
gg \ Др
+ +
Д£ r AZ
I ~т
В табл. 4-1 приведены значения относи-
тельной чувствительности и других параметров
проволок различных материалов, применяемых
для проволочных преобразователей.
Так как относительные деформации AZ/Z
стальных деталей в пределах упругих дефор-
маций не превосходят 2,5-10-3, то &/?//? =
— k'Stll не превосходит 5-Ю-3, т. е. 0,5%.
Практически же измеряемые механические на-
пряжения значительно меньше и величина Д/?/7?
в большинстве случаев имеет порядок десятых
и даже сотых долей процента. При столь ма-
лых рабочих изменениях сопротивления пре-
образователя особо важное значение имеет
температурный коэффициент сопротивления
проволоки преобразователя, поскольку измене-
ние сопротивления, обусловленное колебаниями
температуры на несколько градусов, сравнимо
с изменением сопротивления, вызванным изме-
ряемой деформацией.
Величина удельного сопротивленияр прово-
локи преобразователя также имеет важное зна-
чение; чем выше р, тем меньше база преобра-
зователя, тем точнее определяется распределе-
ние напряжений в материале испытуемой де-
тали.
Таблица 4-1
Материал Относительная чув- ствительность k - -В- i Удельное сопро- тивление р (при 20° С) Z- Температуриый коэффициент а (при комнатной температуре) 1/1° С
Константан (58,8% Си -р 40% Ni-p 1,2% Мп) . 1,9 —2,1 0,46 — 0,50 (25 — 50) 10-в
Нихром (80% Ni + 20% Сг) - 2,0 0,9— 1,1 (150— 170) 10-6
Железо-хромалюминиевый сплав № 2 (22,3% Сг + 4,8% А1 + 0,035% С -р остальное Fe) • . . . . 2,8 —2,9 1,35 — 1,55 (7 — 20)10-6
Из табл. 4-1 следует, что наилучшими дан-
ными обладает железо-хромалюминиевый сплав
№ 2, изучение тензометрических свойств кото-
рого проведено Н. Г. Тиоенко. Этот сплав
широко распространен как материал для на-
гревательных приборов.
С точки зрения малого температурного
коэффициента можно использовать также ман-
ганин, однако относительная чувствительность
k для манганиновой проволоки в три-четыре
раза меньше, чем для константана.
Следует отметить, что свойства проволочных
преобразователей значительно улучшаются при
снятии наклепа проволоки отжигом после ее
протяжки. После отжига уменьшается значе-
ние а, несколько увеличивается значение р,
а главное, значительно увеличивается область
измеряемых деформаций (до 2,4%).
Размеры проволочных преобразователей ко-
леблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до
60 мм по ширине. Сопротивление преобразова-
теля чаще всего порядка 100—200 ом. Мало-
базные преобразователи (2,5—5 мм) наматы-
ваются обычно в два слоя.- либо путем намотки
проволоки на трубочку из тонкой бумаги с по-
следующим сплющиванием трубочки вдоль
образующей, либо путем намотки преобразова-
теля с двойной базой и последующим переги-
бом его по середине и склеиванием в два
слоя. В последнем случае необходимо приме-
нять изолированную проволоку.
§ 4-2. Крепление проволочных
преобразователей
Состав клея и технология наклеивания про-
волоки на бумагу и всего преобразователя на
деталь должны обеспечить правильную переда-
чу деформаций от детали к проволоке. Это
основное условие успеха использования про-
волочных преобразователей. Важное значение
с этой точки зрения имеет также диаметр про-
волоки и толщина слоя клея между поверх-
ностью детали и преобразователем; толстый
слой клея не обеспечивает полной передачи
деформаций. Практика показала, что расстоя-
ние между осью проволоки и поверхностью
испытуемой детали не должно превышать
0,03—0,04 мм, что ограничивает диаметр при-
меняемой проволоки значением 0,04 мм.
Для наклейки проволоки на бумагу целе-
сообразно применять клей с малой вязкостью
(жидкий клей), который хорошо заполняет
свободные промежутки между проволокой и
бумагой и обеспечивает надежное сцепление
между ними. Для наклейки преобразователей
на деталь наиболее пригоден густой клей; при
нажатии на преобразователь (чтобы удалить
пузырьки воздуха) он остается в виде тонкой
пленки между преобразователем и деталью.
В практике нашли применение различные
клеи: для комнатных температур — растворы
целлулоида (коллоксилина) в ацетоне, клей
марки БФ, карбинольный клей; для темпера-
тур порядка 100—200° С — бакелитовые смо-
лы;* для высоких температур до 600—800° С—
жаростойкие цементы типа «Силикон» (до
300°С), стеклянные эмали и различные смеси
жидкого стекла с тальком.
Для комнатных температур Н. Г. Тисенко
рекомендует следующий состав густого клея:
коллоксилин средней вязкости № 2 . . 15%
ацетон..............................23%
амилацетат..........................30%
серный эфир.........................30%
канифоль светлая.....................2%
Для жидкого клея содержание коллоксили-
на уменьшается до 8%, а ацетона увеличи-
* При использовании бакелитовых смол преобра-
зователь, после наклейки на деталь, необходимо под-,
вергнуть термической обработке с целью полимериза-
ций бакелита.
вается до 30%. Серный эфир вводится для
ускорения сушки клея, а амилацетат способ-
ствует лучшему удалению летучих. Необходимо
применять химически чистые и обезвоженные
ацетон и амилацетат. Коллоксилин хранится
влажным (чтобы предохранить его от самовос-
пламеняемости); перед приготовлением клея
коллоксилин необходимо просушить до по-
стоянного веса в термостате при 45—50° С.
Наклеенный преобразователь необходимо
просушивать при комнатной температуре в те-
чение суток.
§ 4-3. Чувствительность и требования
к измерительной цепи
Проволочные преобразователи включаются
обычно в цепь моста. Для компенсации темпе-
ратурной погрешности преобразователя, в со-
седнее с преобразователем плечо моста вклю-
чается нерабочий преобразователь, выполнен-
ный аналогично рабочему и наклеенный на та-
кой же металл, как и испытуемая деталь; оба
преобразователя должны находиться в одина-
ковых температурных условиях.
С точки зрения увеличения чувствительно-
сти мостовой цепи выгодно допускать возмож-
но большее значение тока в преобразователе.
Учитывая условия рассеивания преобразовате-
лем тепла, выделяемого протекающим цо нему
током, можно допускать плотность тока в нем до
50 а!мм2 при длительной нагрузке и 100 а/мм2
при кратковременной.
Для статических измерений обычно приме-
няется питание моста постоянным током (от
аккумуляторов). Мост может работать как
в равновесном, так и в неравновесном режиме.
Максимальное напряжение на зажимах изме-
рительной диагонали в пределах упругих де-
формаций испытуемой детали не превышает
нескольких милливольт.'
Например, при сопротивлении преобразо-
вателя R= 100 ом и максимальном рабочем
изменении сопротивления Д/?, равном 0,1%,
т. е. Д/? = 0,1 ом, и при токе / в преобразова-
теле, равном 50 ма, напряжение Ug на изме-
рительной диагонали моста не может быть
больше
Ua m=M/? = 50. Ю-з.0,1 =5-10-3в =5л1в.
Практически значения UdM меньше, так как
рабочие деформации деталей меньше предела
пропорциональности и Д/?//? составляет сотые
доли процента.
Для непосредственного измерения столь ма-
лых напряжений необходим чувствительный из-
меритель — магнитоэлектрический прибор на
подвесе или на растяжках с внутренним свето-
вым отсчетом.
При динамических измерениях, когда изме-
рителем является либо магнитоэлектрический
вибратор осциллографа, либо электронный
осциллограф, необходимо значительное усиле-
ние напряжения измерительной диагонали
моста, что достигается применением ламповых
усилителей переменного тока. В этом случае
мост питается переменным током звуковой
частоты и при начальном значении измеряе-
мой величины его необходимо уравновесить как
по активным, так и по реактивным сопротивле-
ниям, обусловленным паразитными емкостями
соединительных проводов и элементов мосто-
вой цепи. Пример конкретной цепи тензомет-
ра с проволочным преобразователем приведен
в § 28-1.
Проволочные преобразователи, как и тензо-
литовые, являются преобразователями разового
действия. Однако, при условиях намотки пар-
тии преобразователей из проволоки одной ка-
тушки, одинаковой технологии наклейки и
одинакового сопротивления, воспроизводимость
характеристики /?=/ (AZ/Z) достаточно вы-
сока и может быть характеризована погреш-
ностью, не превышающей 1—2%.
Для градуировки проволочных и тензоли-
товых преобразователей используются балки,
укрепленные либо консольно, либо на двух
опорах, для которых точно известна зависи-
мость деформации от рабочего перемещения
конца (или середины) балки. • •
Глава пятая
ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЯ
§ 5-1. Общие положения
Термосопротивлением называется провод-
ник, нагреваемый током и находящийся в теп-
лообмене с окружающей средой; сопротивление
проводника зависит от температуры и опреде-
ляется поэтому тепловым равновесием между
проводником и средой. ,
Теплообмен проводника с окружающей сре-
дой происходит различными путями: конвек-
цией, теплопроводностью среды, теплопровод-
ностью самого проводника и излучением.
К факторам, определяющим интенсивность
теплообмена проводника со средой, следует
отнести:
а) геометрические размеры проводника и
состояние его поверхности;
б) геометрические размеры и форму арма-
туры, к которой крепится проводник;
в) физические свойства газовой или жидкой
среды (например плотность, теплопроводность,
вязкость);
г) скорость газовой или жидкой среды;.
д) температуру газовой или жидкой среды
и арматуры!.
Таким образом, температура, а следователь-
но, и сопротивление проводника, при устано-
вившемся тепловом равновесии, зависят не
только от тока, протекающего через проводник,
но и от многочисленных факторов, определяю-
щих теплообмен проводника и среды упомяну-
тыми выше путями.
Зависимость сопротивления проводника от
перечисленных выше факторов можно исполь-
зовать для измерения различных неэлектриче-
ских величин, характеризующих газовую или
жидкую среду: температуры, скорости, кон-
центрации, плотности (вакуума). При конструи-
ровании соответствующих преобразователей
следует стремиться к тому, чтобы все факторы,
за исключением измеряемой величины, возмож-
но меньше влияли на температуру проводника
при тепловом равновесии; иначе говоря, чтобы
теплообмен проводника и среды определялся
в основном только измеряемой величиной (ско-
ростью среды, температурой и т. д.).
Упростив, таким образом, зависимость тем-
пературы проводника от факторов, определяю-
щих теплообмен, можно измерение упомяну-
тых неэлектрических величин свести к изме-
рению сопротивления проводника.
Во всех случаях использования термосопро-
тивлений для измерения рассматриваемых ниже
неэлектрических величин следует стремиться
к максимальному уменьшению потерь через
теплопроводность проволоки и путем лучеис-
пускания, ибо эти потери вызывают лишь
уменьшение чувствительности прибора и по-
явление погрешности измерения.
Во многих случаях термосопротивлением
является тонкая проволока диаметром 0,02—
0,06 мм и длиной от 5 до 50 мм, укрепленная
своими концами в массивных держателях.
Теоретические и экспериментальные исследова-
ния показали, что при отношении длины /
к диаметру d проволоки порядка 500 и выше
потерями через теплопроводность проволоки
можно пренебречь.
В ряде 'Случаев, когда термооопротивление
работает, например, в открытом газовом пото-
ке, или когда температура проволоки отличает-
ся от температуры окружающих среду стенок
не очень сильно (не больше чем примерно на
100°С), потерями на излучение можно пре-
небречь.
В том случае, когда потерями на лучеис-
пускание и теплопроводность проволоки нельзя
пренебречь, их можно учесть градуировкой,
если, конечно, эти потери сохраняют во время
эксплуатации то же значение, что и при гра-
дуировке.
Для решения практических вопросов, свя-
занных с расчетом термосопротивлений, весьма
часто приходится прибегать к теории подо-
бия, которая является научной основой поста-
новки эксперимента и обобщения результа-
тов опыта.
§ 5-2. Применение термосопротивлений
в приборах для измерения скорости
газового потока
Приборы с термосопротивлением, применяе-
мые для измерения скорости газового потока,
называются термоанемометрами.
-3
На фиг. 5-1 показано устройство
преобразователя термоанемометра.
Тонкая платиновая нить 1 припаяна
к двум манганиновым стерженькам
2, которые укреплены в ручке 3 из
изолирующего материала; сквозь
ручку пропущены выводы 4 для
включения преобразователя в изме-
рительную цепь.
Задача конструирования преоб-
разователя (термосопротивления)
сводится к тому, чтобы все потери
тепла проволокой, за исключением
потерь тепла конвекцией, свести, по
возможности, к нулю.
В практических расчетах потерь
тепла Qi конвекцией пользуются
обычно формулой Ньютона:
Qi = U4tn-tc)>
Фиг. 5-1.
Преобра-
зователь
термоане-
мометра.
где £ — коэффициент теплоотдачи;
Д— поверхность проволоки, омываемая
жидкой или газообразной средой;
и tc — температуры проволоки и среды.
Значение В зависит от многих факторов,
а именно: от скорости v движения среды;
температуры среды и самой проволоки, от физи-
ческих параметров среды: вязкости р, плот-
ности р, теплоемкости Ср и теплопроводности
Я а также от конфигурации преобразователя.
Таким ^образом, расчет значения $ представ-
ляет значительные трудности, однако решение
вопроса о зависимости $ от скорости v воз-
можно с помощью теории подобия.
Развитие теории подобия и практики ее
использования в значительной мере обязано
работам акад. М. В. Кирпичева и его учеников.
В отношении физических явлений понятие
подобия применимо только к явлениям одного
и того же рода, описываемым совокупностью
одних и тех же уравнений.
При анализе подобных явлений сопостав-
лять между собой можно только однородные
величины и лишь в сходственных точках про-
странства и в сходственные моменты времени.
Таким образом, два -физических явления
подобны, когда имеет место подобие геометри-
ческое и подобие всех физических величин, ха-
рактеризующих рассматриваемые явления.
Отношение сходственных величин в подоб-
ных явлениях называется константой по-
добия. Константа подобия обозначается
буквой с с индексом, соответствующим данной ,
физической величине. Например, для плотно-
стей р константа подобия обозначается с
Первая теорема подобия. Рассмотрим сле-
дующий пример. Согласно второму закону
Ньютона,
F=tn —,
Г
где F—сумма сил, действующих на массу;
——ускорение \v—скорость, т—время).
Для двух подобных систем можно написать:
F' — т' ; F" == т" . (а)
Так как в случае подобия обеих систем
F" = F’cf; т" — стт’; v" = cvv'-, х" = с^’, (б)
то
Значение F' должно определяться из урав-
нений (а) и (б) одинаковым образом, что воз-
можно лишь при условии, что
Если теперь в уравнение (г) подставить
значения констант подобия из уравнений (б), то
F'r’
m'v'
Г'г”
m"v"
или
Ft . ,
^r=ldem-
Полученное выражение, связывающее разно-
родные величины подобных явлений, назы-
вается критерием подобия. Критериям подобия
присвоены имена ученых.
Полученный критерий подобия назван име-
нем Ньютона
• ^K~Ne (ньютон)-
Вывод выражений для критериев подобия
является содержанием первой теоремы подо-
бия, которую в общей форме формулируют
следующим образом: подобные между собой
явления имеют одинаковые критерии подобия
(теорема Ньютона).
Критерии подобия имеют нулевую размер-
ность, что является их основным свойством.
В практике измерения неэлектрических ве-
личин особенно важное значение имеет крите-
рий Рейнольдса (Re) для сил трения.
Реальные жидкости и газы обладают вяз-
костью (внутренним трением). Согласно гипо-
тезе Ньютона, абсолютная величина силы тре-
ния fm, отнесенная к единице площади dS„
определяется из выражения:
т tin ’
где р— динамическая вязкость;
п — нормаль к площади;
г»1 — скорость движения.
Полная сила трения на всю площадь будет,
следовательно, равна:
F —f S,
т J т ’
ИЛИ
где 5—площадь двух соприкасающихся слоев
среды;
L — расстояние между трущимися слоями
движущейся среды в направлении,
перпендикулярном поверхностям слоев,
т. е. в направлении, перпендикулярном
движению потока.
Таким образом, под динамической вязкостью
Р понимают силу трения, которую испытывает
единица поверхности одного из соприкасаю-
щихся слоев со стороны другого слоя, отстоя-
щего от первого слоя на расстоянии, равном
единице, если градиент скорости между ними
равен единице.
Размерность у.:
, дин-сек . ЛЛ1ЛЛ кГ-сек
1 ----т.—•= 1 пуаз = 0,0102---.
СМ* п Л42
Критерий Рейнольдса выражается следую-
щим образом:
^ = Re,
где I — определяющий геометрический размер;
р — плотность жидкости.
Критерий Рейнольдса часто выражают также
в зависимости от кинематической вязкости v,
под которой понимают:
v = y [м21сек]\
в этом случае
n VI
Re = —.
При движении жидкости в цилиндрической
трубе или при обтекании цилиндра жидкостью
определяющим размером является диаметр d и
Из основного дифференциального уравнения
конвективного переноса тепла выводится сле-
дующий критерий Пекле (Ре), имеющий боль-
шое значение при применении теории подобия
к явлениям теплообмена:
г, vd
Ре= — ,
а
где
здесь d—определяющий размер (диаметр
трубы или цилиндра);
ср — удельная теплоемкость движущейся
среды при постоянном давлении;
7 — удельный вес подвижной среды;
Л — коэффициент теплопроводности
среды.
Критерий Пекле выражает новое условие
для подобия тепловых явлений подвижной
среды. Оказывается, что для теплового подо-
бия скоростные поля должны удовлетворять
не только условию Re = idem, но и Ре = idem.
Любая комбинация двух или нескольких кри-
териев дает новый критерий. Практически очень
удобно пользоваться критерием Прандтля — Рг:
где v — кинематическая вязкость.
Критерий Прандтля характеризует только
физические параметры среды.
Для идеальных газов критерий Прандтля
зависит только от атомности газа. Для реаль-
ных газов одинаковой атомности критерий Рг
является практически постоянной величи-
ной.
Из уравнения, определяющего условия
теплообмена на границе потока и твердого
тела, выводится критерий Нуссельта — Nu:
Nu = у- d,
где d — определяющий размер (диаметр тру-
бы);
$ — коэффициент теплоотдачи;
2 — коэффициент теплопроводности среды.
В теории подобия доказывается наличие
следующей связи между критериями:
для случая теплообмена при вынужденном
движении среды
Nu=/(Re, Рг); (5-1)
для газов одинаковой атомности
Nu=/(Re). (5-2)
Вторая теорема подобия. Совокупность диф-
ференциальных уравнений, описывающих явле-
ния теплообмена, может быть проинтегрирова-
на только в отдельных частных случаях. Обще-
го решения этих уравнений не найдено. При
помощи критериев дифференциальное уравне-
ние может быть представлено в безразмерном
виде. В этом случае часто можно представить
интеграл дифференциального уравнения как.
функцию его критериев, что позволяет распро-
странить экспериментально полученный резуль-
тат единичного опыта на все случаи, ему подоб-
ные, т. е. на все случаи, характеризующиеся
теми же соотношениями критериев. В этом и
заключается содержание второй теоремы по-
добия.
Следовательно, для возможности обобще-
ния результатов экспериментального исследо-
вания, необходимо эти результаты представить-
в виде функциональной зависимости между
критериями подобия. Уравнения (5-1) и (5-2)
являются простейшими примерами такой зави-
симости.
Зависимости между критериями подобия
представляются обычно в виде степенных функ-
ций. Например, для газов одинаковой атом-
ности при наружном обтекании цилиндрических
тел
Nu = cRem, (5-3)
где с и пг — постоянные отвлеченные числа.
Зависимости такого вида в настоящее время
теоретически не могут быть обоснованы и
являются чисто эмпирическими.
При пользовании степенными зависимостя-
ми необходимо иметь в виду, что они примени-
мы лишь в тех пределах изменения аргумента,
в которых они подтверждены опытом. Экстра-
поляция их за эти пределы может привести
к большим ошибкам.
При пользовании экспериментально полу-
ченными уравнениями, связывающими различ-
ные критерии, очень важно знать определяю-
щую температуру, соответственно которой сле-
дует принимать значения физических парамет-
ров, входящих в выражения для критериев, так
как температура в различных частях преобра-
зователя может быть различной.
Разные авторы по-разному решают этот во-
прос. Одни (Нуссельт) принимают в качестве
определяющей температуры
г /.т 4"
{ср 2 ’
где tcm— температура стенок; другие (М. В. Кир-
пичев) в качестве определяющей температуры
принимают среднюю температуру среды (жидко-
сти или газа).
Во всяком случае при пользовании экспери-
ментальными формулами всегда следует рас-
считывать определяющую физические парамет-
ры температуру так, как это было сделано при
выводе используемой экспериментальной фор-
мулы.
Уравнение теплового равновесия для пре-
образователя термоанемометра
I2R = lF(tn-tc) = №, (5-4)
где
В приведенном уравнении теплового равно-
весия отсутствуют члены, выражающие потери
через теплопроводность проволоки и путем лу-
чистого теплообмена.
В преобразователях термоанемометров от-
ношение длины проволоки к ее диаметру дости-
гает 1 000 и выше, что позволяет пренебречь
потерями тепла через теплопроводность прово-
локи. Что же касается потерь на лучеиспуска-
ние, то при практически имеющих место разно-
стях температур проволоки и окружающих тел
эти потери весьма малы; кроме того они учи-
тываются градуировкой прибора.
Как выше было указано, коэффициент теп-
лоотдачи ? является некоторой функцией ско-
рости v потока. Таким образом, измерение ско-
рости можно свести либо к измерению сопро-
тивления при I = const, либо к измерению тока
при /? = const (а следовательно, и 9= const).
Выше [уравнение (5-3] была приведена за-
висимость
Nu = cRem. (5-5)
В табл. 5-2 приведены значения тис для
различных диапазонов Re, полученные при
исследовании теплоотдачи цилиндров с диамет-
ром от 0,099 до 155 мм при скоростях воздуш-
ного потока от 2 до 30 м/сек.
Для преобразователей термоанемометров из
очень тонких проволок (диаметром 0,015 —
0,03 мм) при скоростях потока до 60 м/сек
значение критерия Re не превосходит 30. По-
этому для расчета термоанемометров следует
выбирать значения: т = 0,4 и с = 0,81.
Таким образом, рассчитав для заданной
скорости v потока значение критерия Re для
принятых значений т и с, можно определить
критерий Nu, а по последнему — значение коэф-
фициента теплоотдачи $ в потоке. Окончатель-
ная зависимость 5 от v принимает вид:
5 — с — d'” — ц"1 — °’8Пс<г 0 5 тЛ4
Z — C d а — „0,4 V
Для воздуха при t = 200° С, v = 35,82 я2/сек
и
Я =0,0318 -----к--ал л .
с м-час-град
Таблица 5-1
Re С т
5 — 80 0,81 0,40
80 — 5-103 . . . 0,625 0,46
5- 10э и выше . . 0,197 0,60
Положим, что при v — Q
— ^vO’ 9 — ^с’
где tc — температура среды;
—'температура проволоки при v = 0.
При г» = г»!
^ = ^i> ^ = tm\ 1д.
Тогда
^1 ~ ^VO "Ь ^0 а tnvo)’
где Ro относится к температуре /0 (t0—темпе-
ратура начала интервала, которому соответ-
ствует принятое значение температурного коэф-
фициента а*), и уравнение (5-5) для v — Vi
.примет вид:
I2 ~U)1 = - О- (5-6)
Эту формулу можно принять в качестве
расчетной формулы для выбора основных па-
раметров преобразователя термоанемометра.
Обычно задаются значениями tnvl, tnv0 и Rv0,
по которым и определяют необходимое значе-
ние тока I в проволоке. При этом следует
учесть, что с увеличением скорости темпера-
тура проволоки уменьшается, поэтому
^nt>\ < ^nvO '
Термоанемометр включается в мостовую
цепь. Измерение можно производить, поддер-
живая постоянным либо ток / в неразветвленной
части моста (фиг. 5-3), либо напряжение питания
моста (тогда мост будет работать в неравно-
весном режиме), либо значение RM термоане-
мометра (тогда мост будет работать в режиме
равновесия, так как для каждого значения v
надо устанавливать соответствующее значение
тока /). Последний способ измерения, пред-
ставляя некоторые преимущества в отношении
•точности и чувствительности измерения, обла-
дает, однако, тем недостатком, что для про-
изводства отсчета необходимо осуществить
операцию уравновешивания моста. Само собой
разумеется, что для измерений при нестацио-
нарном режиме можно применить лишь нерав-
новесный мост, т. е. измерение при 1 =
= const.
На фиг. 5-2 показан пример градуировочной
кривой термоанемометра R=:f(v) при / =
= const.
Как видно из фигуры, шкала прибора от-
личается значительной нелинейностью. Еще
большая нелинейность шкалы будет иметь
место при использовании равновесных мосто-
вых цепей (сопротивление термоанемометра
поддерживается постоянным), так как, со-
гласно (5-5), ток / необходимо изменять про-
порционально примерно корню четвертой сте-
пени от измеряемой скорости v (при т =
= 0,35-?-0,6).
В этом случае, чтобы несколько улучшить ха-
рактер шкалы, применяют цепь, изображенную
на фиг. 5-3. При равновесии моста с терм'оанемо-
метром Rn в качестве плеча, милливольтметр,
шкала которого градуирована в единицах ско-
рости потока, измеряет падение напряжения
на платиновой проволоке R, включенной в цепь
общего тока / моста. При изменении тока /
одновременно изменяется температура прово-
локи, а следовательно, и значение R. Таким
Фиг. 5-2. Градуировочная
кривая термоанемометра
Фиг. 5-3. Измерительная
цепь термоанемометра
образом, падение напряжения IR, измеряемое
милливольтметром, растет быстрее, чем ток/,
и зависимость 1R = f (и) более линейна, чем
зависимость
П реобразователи термоанемометров с тер-
мопарой. Выше было рассмотрено измерение
скорости по измерению тока моста / при соп-
ротивлении преобразователя Rv0 — const или по
измерению Rv при I — const.
Однако возможен и третий способ исполь-
зования зависимости (5-6), при котором не-
посредственно измеряется температура /лг|1
проволоки термоэлектрическим методом.* Ток /
в проволоке (или напряжение U на зажимах
проволоки) при этом поддерживается постоян-
ным.
Первые два типа термоанемометров назы-
ваются термоанемометрами типа термометра
сопротивления. Последний' называется тер-
моанемометром с термопарой. Цепь
такого термоанемометра показана на фиг. 5-4.
Рабочий конец термопары приваривается
к середине нагреваемой проволоки, а свобод-
ные концы присоединяются к массивным ко-
* Подробнее см. § 5-6.
*0 термопарах см. § 14-1 и 14-2.
лодкам, температура которых /0 может быть
в отдельных случаях равна температуре iQ
концов проволоки. Милливольтметр, измеряю-
щий термоэлектродвижущую силу* термопары,
может быГь непосредственно градуирован
в единицах скорости потока, так как при f0 =
— const, т. э. д. с. Е равна:
На фиг. 5-5 изображено устройство пре-
образователя термоанемометра с термопарой
конструкции Н. В. Рагозина [Л. 28]. Термопа-
ра 1 приварена к платиновой нити 2 диамет-
ром 0,05 мм. Провода для приключения нити
к источнику питания и для приключения мил-
ливольтметра к термопаре проходят через
эбонитовую ручку к штепсельной вилке с че-
тырьмя выводами. В качестве термопары при-
меняют: медь — копель, медь — константан.
Фиг. 5-4. Измерительная цепь
термоанемометра с термопарой
Пример градуировочной кривой термоане-
мометра с термопарой показан на фиг. 5-6,
откуда видно, что до скоростей порядка 6—
8 Mt/сек чувствительность термоанемометра
достаточно велика, при больших же скоростях
она значительно уменьшается.
Выбор рабочей температуры проволоки. Ра-
бочая температура проволоки, нагреваемой
током, при использовании ее в качестве термо-
анемометра выбирается достаточно высокой,
порядка 600—800° С. Чем больше температура
проволоки, тем выше чувствительность всего
прибора в целом. Особенно важно увеличить
температуру проволоки для термоанемометров
с термопарой, поскольку т. э. д. с. растет с уве-
личением температуры рабочего конца термо-
пары.
Увеличение температуры проволоки ограни-
чено соображениями стабильности свойств про-
* В дальнейшем изложении термоэлектродвижу-
шая сила обозначается т. э. д. с.
волоки. Если проволока или термопара выпол-
нены из неблагородных металлов, например из-
меди и константана, то при температуре выше-
Фиг. 5-5. Преобразователь термоанемо-
метра с термопарой конструкции
Н. В. Рагозина
600—700° С (а для меди выше 200° С) есть
опасность окисления проволоки. Платиновую
проволоку можно нагревать до более высоких
температур, однако практически выше 700—
800° С ее не нагревают.
Зависимость показаний термоанемометра от
расположения проволоки в потоке. Проволока
термоанемометра должна быть расположена,
по возможности, перпендикулярно направлению
потока. На фиг. 5-7 показана кривая, характе-
ризующая зависимость коэффициента теплоот-
дачи проволоки от угла между проволокой и
направлением потока. Из кривой видно, что
Фиг. 5-6. Градуировочная кривая
термоанемометра с термопарой
пендикулярного практически не вызывает по-
грешности (поэтому проволоку устанавливают
перпендикулярно потоку). Дальнейшее измене-
ние угла вызывает весьма значительное из-
менение показаний термоанемометра, что и
используется для измерения направления по-
тока.
При расположении проволоки параллельно
потоку зависимость коэффициента теплоотдачи
5 от скорости v оказывается линейной, однако
чувствительность преобразователя при этом
мала и погрешность от изменения угла между
Фиг. 5-7. Зависимость относительной
теплоотдачи проволоки, нагреваемой
током, от угла между проволокой и
направлением воздушного потока.
проволокой и направлением потока становится
значительной. Поэтому расположение прово-
локи вдоль потока не применяется.
§ 5-3. Применение термосопротивлеиий
в газоанализаторах на принципе
теплопроводности
Как известно, к числу физических констант,
характеризующих чистые газы, относится теп-
лопроводность и температурный коэффи-
циент теплопроводности А газа. В табл. 5-2
приведены значения относительной (по отноше-
нию к теплопроводности воздуха) теплопровод-
ности и значения А для диапазона температур
от 0 до 100° С.
Для определения по этой.таблице абсолют-
ных значений теплопроводности необходимо
знать лишь абсолютное значение теплопровод-
ности воздуха, которое при 0° С равно:
Л , = 0,0204 —-'-"-—-,.
воза м-час-град
Из табл. 5-2 видно, что теплопроводность
различных газов значительно отличается от
теплопроводности воздуха.
Газы обладают положительным темпера-
турным коэффициентом теплопроводности, зна-
чения которого приведены в последней графе
таблицы. Зависимость теплопроводности от
температуры с достаточной для практических
целей точностью подчиняется уравнению:
где Хс{ — теплопроводность при температуре /;
— теплопроводность при температу-
ре /0;
9=/—/0;
А — температурный коэффициент тепло-
проводности.
Таблица 5-2
Газ Относитель- ная теплопро- водность ^с^-возд при 0° С Температурный коэф- фициент теплопро- водности для темпе- ратур от 0 до 100° С-
Воздух 1,000 0,00253
Аргон 0,685 0,00311
Неон 1,991 0,00256
Кислород . 1,015 0,00303
Азот 0,998 0,00264
Водород 7,130 0,00261
Хлор 0,322 —
Окись углерода . . 0,964 0,00262
Двуокись углерода . 0,614 0,00495
Двуокись серы . . . 0,344 —
Сернистый углерод . 0,285 —
Сернистый водород . 0,538 •—
Закись азота .... 0,646 —
Водяные пары . . . 0,973 при 0,00455 при
100° С 100° С
Аммиак 0,897
Метан 1,318 0,00655
Этан 0,807 0,00583
Бензин 0,370 0,00980
Ацетон 0,406 0,00720
Этиловый эфир . . . 0,543 0,00700
Хлороформ 0,273 0,00530
Этилен . , 0,735 0,00763
Для газовых смесей, состоящих из газов,
в реакцию друг с другом не вступающих,
теплопроводность смеси в первом приближении
есть среднее арифметическое из теплопровод-
ностей компонентов смеси.
Для смеси из двух газов
. ____ 'Хс|а + ^26
Лс12 ЮО
где а и b — процентное содержание компонен-
тов смеси.
Если необходимо определить процентное
содержание газа, имеющего теплопровод-
ность 2с1, в смеси с другим газом, имеющим
теплопроводность Лс2, то
_ Л с2 (100 а)
ZC12 — (Об
Таким образом, измерив Лс12 смеси и зная
табличные значения и Zc2 газов, образую-
щих смесь, можно определить значение а про-
центного содержания одного газа в смеси.
Формула (5-7) дает лишь приблйженную
зависимость теплопроводности смеси от ее со-
става.
Практически целесообразнее проводить гра-
дуировку электрических газоанализаторов экс-
периментально, либо путем сравнения с образ-
цовыми газоанализаторами, либо приготовляя
в газгольдере смеси газов различных концент-
раций.
Выбор основных параметров термосопротив-
ления. В данном случае необходимо стремиться
к тому, чтобы тепловое равновесие проволоки
в камере (фиг. 5-8), через которую протекает
Фиг. 5-8. Схематическое изображе-
ние устройства преобразователя
газоанализатора
испытуемая газовая смесь, определялось
в основном теплопроводностью газовой смеси.
Иначе говоря, необходимо стремиться к тому,
чтобы потери через теплопроводность проволо-
ки и путем конвекции были по возможности
малы или постоянны, с тем, чтобы их можно
было учесть градуировкой прибора.
Что касается потерь через теплопроводность
проволоки, то отношение длины I проволоки
(/ = 60-^60 мм) к диаметру проволоки (d —
— 0,03—0,05 мм) так велико, что этими поте-
рями можно пренебречь.
Потери на конвекцию можно уменьшить
путем уменьшения 5 и F. Особенно большое
значение имеет величина коэффициента тепло-
отдачи 5. Как было выяснено в предыдущем
параграфе, величина 5 в значительной степени
зависит от скорости протекания газа через
камеру. Чем меньше скорость газа, тем мень-
ше t Однако стремление к уменьшению 5
имеет свои границы, так как при этом увеличи-
вается инерция преобразователя, т. е. время,
необходимое для установления теплового рав-
новесия проволоки, а следовательно, и время
между моментом включения прибора и момен-
том, в который можно сделать отсчет измеряе-
мой величины по измерителю.
С другой стороны, необходимо считаться
с тем обстоятельством, что давление в месте
забора газа в преобразователь может и не
быть постоянным, вследствие чего скорость
газа в камере может измениться. Весьма жела-
тельно, чтобы изменение в некоторых пределах
скорости протекания газа через камеру не вы-
зывало погрешности в показаниях прибора.
Опытом установлено, что при диаметрах
проволоки от 0,02 до 0,05 мм целесообразно
выбирать диаметр канала равным 5—7 мм и
располагать последний вертикально.
Особо следует отметить необходимость фик-
сировать положение проволоки в канале, стре-
мясь к расположению ее по оси канала. Если
проволока во время эксплуатации сместится
относительно того положения, которое она име-
ла при градуировке, то изменятся и условия
теплового равновесия, и значение температуры
проволоки, соответствующее тепловому равно-
весию, будет другим. С этой точки зрения целе-
сообразно выполнять проволоку прямой, а не
в виде спирали, и также располагать канал
вертикально.
Скорость газа приходится выбирать с уче-
том инерции преобразователя. Стремясь умень-
шить зависимость показаний от скорости, обыч-
но мирятся с инерцией порядка 5—8 минут.
Положим, что проволока, нагреваемая то-
ком, помещена вдоль оси камеры (фиг. 5-8) со-
средой, теплопроводность которой равна
Рассмотрим потери тепла в единицу времени
с поверхности элемента dl проволоки.
Обозначим температуру рассматриваемого-
элемента проволоки через tn, температуру
стенок через tcm и, соответственно, радиус
проволоки через гп, а радиус стенок камеры
через rcm.
Тогда, согласно закону Фурье, можно на-
писать следующее выражение для тепла, те-
ряемого через поверхность dF, перпендику-
лярную направлению распространения тепла::
dQ2 = ~VF^, (5-8>
где dQ2— количество тепла, теряемое с эле-
мента длины проволоки в единицу
времени;
dt
— градиент изменения температуры
(по направлению, перпендикулярному
оси проволоки).
Поверхность dF является боковой поверх-
ностью цилиндра, концентричного оси прово-
локи, с образующей, равной dl.
При расстоянии г от оси проволоки (фиг. 5-8)
dF~2^rdl.
Тогда уравнение (5-8) примет вид:
dQ„ = — Л 2кг dl
*“ с Cl К
отсюда
j, dQ2 dr
иг~ 2тЛс dl г ’
В частном случае, когда tcitl=t^, т. е.
когда зажимы проволоки укреплены в корпусе
камеры, уравнение (5-12) примет вид:
— /0)2тсХе/
(5-13)
Уравнение теплового равновесия преобра-
зователя будет иметь вид:
Интегрируя это выражение по г, мы най-
дем, следовательно, закон распределения тем-
пературы по направлению, перпендикулярному
оси проволоки:
(5-14)
dQ2 dr
2id„ dl г
<и>
Постоянную интегрирования Ci найдем из
условия, что при г = гя, t-tn- Тогда
и
С1 = ^4" 2лкс2<//1ПГл'
Подставляя Ci в уравнение (5-9), получим:
2^dilar'^~ 2^fdllnrn~^ ^п~
= (5'10)
При r — rcm, t = tcm, и уравнение (5-10) при-
мет вид:
Отсюда получаем выражение для dQ2:
Для того чтобы получить потери тепла
в единицу времени со всей проволоки, необхо-
димо проинтегрировать выражение (5-11) по
длине проволоки:
= . (5-12)
, Г cm
В этом уравнении R и Лс соответствуют
установившейся температуре теплового рав-
новесия.
При заданных параметрах преобразователя
и токе получаем:
а следовательно,
Я = /1(«),
где а — процентное содержание искомой ком-
поненты газовой смеси.
Положим, что сопротивление проволоки при
температуре 0°С равно /?0, а теплопроводность
среды при температуре 0°С равна 2с0. Тогда
7? = 7?0(1+«„),
здесь а — температурный коэффициент сопро-
тивления проволоки;
А — температурный коэффициент тепло-
проводности;
fn — средняя температура проволоки;
t -|-1
tc= n cm —средняя температура газа
в канале.
Подставляя значения 7? и Л. в уравне-
ние (5-14), получим:
(1 + «„) =-----------------т----------*
, 1 ст
п
Обозначая ------- через k и применяя пра-
. rcm
in —
’ п
вила приближенных вычислений, получим:
п ст ь\са
X f1 + (а ~ 4) ИТ + ~ ’
откуда
я=я„{1+ч„+“5-х
*')+ + (5-16)
В этих уравнениях произвольным с точки зре-
ния расчета преобразователя является выбор
мощности I2R0 и рабочей температуры tn про-
волоки (выбор значений I, гп и гст был
обоснован выше). Задаваясь одной из этих
величин, можно определить вторую величину.
В газоанализаторах на СО2, например,
обычно задаются рабочей температурой прово-
локи, выбирая ее не выше 100—120° С, так как
с повышением температуры проволоки, а следо-
вательно, и среды, теплопроводность СО2 при-
ближается к теплопроводности воздуха (тем-
пературный коэффициент теплопроводности
СО2 почти в два раза больше температурного
коэффициента тепл ©водности воздуха, см.
табл. 5-2), и чувствительность прибора резко
падает.
Главной погрешностью измерения является
погрешность от непостоянства скорости газа.
Подсчет этой погрешности возможен, если из-
вестна зависимость коэффициента теплоотда-
чи z от скорости, о чем более подробно было
изложено в предыдущем параграфе.
Отсутствие погрешности, обусловленной ко-
лебаниями скорости газа, имеет место у пре-
образователей, в которые газ попадает только
в процессе диффузии. Однако инерция подоб-
ных преобразователей весьма значительна и
может достигать пятнадцати минут и больше.
Изложенное выше относилось к случаю из-
мерения концентрации одной из компонент
двухкомпонентной смеси. Использование опи-
санных преобразователей для измерения кон-
центрации одной из компонент более сложных
смесей возможно либо в том случае, если все
остальные компоненты газовой смеси имеют
практически одинаковую теплопроводность
(например в случае измерения концентрации
СО2 в воздухе, поскольку теплопроводности
кислорода и азота практически одинаковы),
либо в том случае, если отношение теплопро- •
водности искомой компоненты к эквивалентной
теплопроводности остальных компонент смеси
сохраняется практически неизменным во всем
диапазоне измеряемой концентрации.
§ 5-4. Применение термосопротивлений
в приборах для измерения вакуума
Измерение вакуума при помощи термосо-
противлений основано на зависимости тепло-
проводности сильно разреженных газов от сте-
пени разрежения.
При плотностях газа, соответствующих
области атмосферного давления, теплопровод-
ность газа практически не зависит от плотно-
сти. Молекула газа, ударившись о нагретую
проволоку, получает добавочную кинетическую
энергию, определяемую температурой нагрето-
го тела. Затем, по мере перемещения от нагре-
той поверхности к холодной, молекула сталки-
вается с рядом других молекул. Таким образом,
в передаче тепла от нагретой к холодной по-
верхности участвует много молекул, что стати-
стически приводит к постоянству среднего по
объему значения теплопроводности средь!.
Однако при уменьшении давления газа или
воздуха в замкнутой камере возрастает длина
свободного пробега молекулы. Так, например,
средняя длина пробега молекул водорода
при 0°С и 760 мм рт. ст. равна 1,86- 10-4 мм,
а при той же температуре и при давлении
0,001 мм рт. ст. равна 141 мм. Для азота со-
ответствующие значения равны 9,6 • 10~3 мм
и 73 мм. Когда средняя длина свободного про-
бега становится величиной того же порядка,
что и расстояние между проволокой и стенка-
ми камеры, то теплопроводность газа начи-
нает зависеть от вакуума.
Как было показано в предыдущем пара-
графе, изменение теплопроводности среды при-
водит к изменению температуры проволоки,
соответствующей тепловому равновесию, а сле-
довательно, к изменению ее сопротивления.
На фиг. 5-9 в качестве примера показана
экспериментальная кривая зависимости сопро-
тивления Rn проволоки из платины диаметром
0,08 мм и длиной 200 мм, свитой в спираль
диаметром 3,5 мм, от вакуума р при постоян-
ном токе в проволоке, равном 50 ма.
Как видно из кривой, изменение вакуума
от 15 до 5 мкн рт. ст. вызывает изменение
сопротивления проволоки от 6,5 до 6,8 ом,
т. е. примерно на 5%, что достаточно для вы-
полнения измерения мостовым методом, часто
без необходимости усиления напряжения на
измерительной диагонали.
Измерение вакуума можно свести и к из-
мерению непосредственно температуры в се-
редине проволоки при помощи термопары.
Фиг. 5-9. Градуировочная кривая вакуумметра
на принципе теплопроводности
Вакуумметры с использованием термосо-
противления описаны ниже, в § 30-1.
§ 5-5. Применение термосопротивлеиий
в приборах для измерения температуры
Приборы, служащие для измерения темпе-
ратуры и использующие в качестве преобразо-
вателя термосопротивления, называются тер-
мометрами электрического сопротивления, или,
короче, термометрами сопротивления.
Термосопротивления, используемые в при-
борах для измерения температуры, работают
при малой нагрузке током с тем, чтобы тепло,
выделяемое током в подобном термосопротив-
лении, было минимальным по сравнению
с теплом, получаемым от испытуемой среды.
Основным требованием, предъявляемым
к материалам, применяемым для преобразова-
телей термометров сопротивления, является
возможно больший и постоянный температур-
ный коэффициент электрического сопротивле-
ния при одновременно возможно большем
удельном сопротивлении.
Наибольший интерес с точки зрения этого
требования представляют объемные полупро-
водниковые сопротивления.
Полупроводниковые термосопротивления
(термисторы) типов ММТ-1, ММТ-4 и ММТ-5
имеют отрицательный температурный коэф-
фициент порядйа 0,03—0,04 т. е.
в 8—10 раз больший, чем у металлов.
Значение температурного коэффициента а
полупроводников сильно зависит от темпера-
туры:
В
а = — у— ,
где В — постоянная;
Т — абсолютная температура.
Эти термосопротивления выпускаются на
номинальные значения сопротивления от
1 000 до 200 000 ом (при 20° С) и пригодны
для работы в диапазоне температур от —100
до 4-120° С.
Обладая малыми габаритами и высокой
стабильностью, полупроводниковые термосо-
противления, однако, не нашли пока еще при-
менения в качестве преобразователей термо-
метров сопротивления массового производства,
поскольку они еще не удовлетворяют требо-
ванию взаимозаменяемости, т. е. не могут
быть изготовлены на одну и ту же характери-
стику R — fit).
Основным материалом для преобразовате-
лей термометров сопротивления являются чи-
стые металлы. Большинство химически чистых
металлов обладает положительным темпера-
турным коэффициентом сопротивления, колеб-
лющимся (в интервале 0—100° С) от 0,35 до
0,68% на 1°С.
Сплавы высокого сопротивления не могут
быть использованы для намотки преобразова-
телей термометров сопротивления, так как
температурный коэффициент их незначителен.
Наибольшее распространение для изготов-
ления преобразователей термометров сопро-
тивлений имеют платина, медь и никель.
Градуировка термометров сопротивления
осуществляется при помощи магазинов сопро-
тивления. Сопротивление преобразователя
подсчитывается для каждой градуируемой точ-
ки шкалы и устанавливается на магазине,
заменяющем преобразователь в цепи прибора.
Поэтому вопрос о расчете сопротивления пре-
образователя при различных температурах не-
обходимо рассмотреть более подробно.
Зависимость сопротивления металлов от
температуры не является линейной. Для пла-
тины зависимость сопротивления R от темпе-
ратуры t в пределах от 0 до 4-660° С выра-
жается уравнением:
7?z = /?0(14-^4-B/2). (5-17)
где Rq—сопротивление при 0°С.
Для чистой платины
А — 3,940-10-3; В = — 5,8-10~7.
В интервале от 0 .до —190° С зависимость
сопротивления от температуры выражается
уравнением:
^ = /?0|1 4-X/4-BZ2^c(/— 100И3]; (5-18)
значение С = — 4-10-12.
3 А. м. Туричин.
Отечественная платиновая проволока выс-
шего сорта (ПП-ПЭ марки „Экстра"), приме-
няемая для намотки преобразователей термо-
метров сопротивления, должна удовлетворять
условию:
^- = 1,389 ±0,001,
а для платины марки „Победа"
^Ж'= 1,392 ±0,001,
«о
где /?100 — сопротивление при температуре ки-
пения воды (100° С).
Для меди при расчете сопротивления, со-
ответствующего температуре t, пользуются
обычно двухчленной формулой:
-- /?0 [1 -Ьао(^ - ^о)]>
(5-Ю)
где /?0— сопротивление при температуре t0>
а0—температурный коэффициент для
интервала температур, начинающе-
гося от t0.
Формула (5-19) выражает линейную зависи-
мость сопротивления от температуры, мало
отличающуюся от действительной зависимости.
При этом следует по-
фиг. 5-10. К вопросу о
выборе значения я0 и Ro
мнить, что сопротивле-
ние /?0 должно соот-
ветствовать начальной
температуре того ин-
тервала температур,
для которого задано зна-
чение а0.
Действительно, по-
ложим, что а0 задан
для интервала темпе-
ратур от t0 до tK (фиг.
5-10). Тогда сопротив-
ление /? преобразователя в функции от темпе-
ратуры t выразится участком прямой АВ
между абсциссами 1 и 2.
Для температуры t внутри рассматривае-
мого интервала температур можно написать:
Rf — + (t — to) tg ? •
Если сравнить это выражение с формулой
(5-19), то получим:
. tgp = /?oao; й0 = ^-
е>
Таким образом, значение а0 определяется
не только углом наклона характеристики ма-
териала термосопротивления, но и значением
/?0. Это обстоятельство требует осмотритель-
ности при пользовании табличными значениями
температурного коэффициента сопротивления.
Поясним сказанное примером. Положим, что
внутри интервала температур от t0 до tK из-
вестно сопротивление /?8 при температуре ts
и требуется найти сопротивление /?4 при тем-
пературе t4.
Пользоваться для решения этой задачи
формулой
/?4 = Я3[1+*оа4-^] (5-20)
нельзя, так как а0 определен для значения /?0,
а не для значения /?8.
Правильным будет следующее решение:
^4 = ^3 ^0 ®0 (4 to)>
где неизвестное значение /?0 необходимо опре-
делить по заданному R3 из выражения:
^з I1 + °о (ts — г0)];
п ________*3______
° 1 + “о 0з~-^о)
Таким образом, искомое значение /?4 будет
определяться выражением:
#4 ^з + j ао ао (h to). (5-21)
Пользование формулой (5-20) вместо фор-
мулы (5-21) может привести к значительным
погрешностям. Приведем численный пример.
Положим, что для меди значение а в интер-
вале от 0 до 100°С равно 0,428% на 1°С.
Определим сопротивление медного проводника
при 100°С, если его сопротивление при 50°С
равно 10 ом.
Если считать по неправильной формуле
(5-20), то будем иметь:
*юо°с =*5ooc U + “ (100 -- 50)] =
= 10 (1-ф0,00428 -50) = 12,14 ом.
По правильной же формуле (5-21) будем
иметь:
^100°С--^53° С +
10^00428-50 0.00428 (100 - 50) =
= ю + 14тг 0,214 = 11176 ом-
Погрешность при неправильном расчете будет
равна:
7’1,76 Ю0 = 3,2%.
В настоящее время, в тех случаях, когда
зависимость сопротивления от температуры
может быть принята линейной, широко поль-
зуются другим выражением, не требующим
столь большой осторожности при пользовании
справочным материалом.
Пусть зависимость Сопротивления от тем-
пературы (фиг. 5-11) задана прямой rr. Про-
Фиг. 5-11. К вопросу о расчете сопро-
тивления преобразователя термометра
сопротивления по величине г
(5-22)
должим эту прямую до пересечения с осью
абсцисс в точке М.
Из фиг. 5-11 очевидно, что
^1 %2 _
т-Н1— — г ’
откуда
^2 _________________Т <2
Последнее выражение является общим для
любых двух температур, выраженных в гра-
дусах температуры, и очень удобно для вы-
числений; необходимо лишь найти значение т
по заданному а.
Из выражения (5-22) имеем:
R^R0'^- = R0 + R0-^-
Сравнивая это выражение с уравнением (5-19)
(при /о = О), имеем: ,
Rq~~^~ — Ro ’
откуда
1
с = — .
а
Для меди, например, в интервале температур
от 0 до 1С0эС, а = 0,00428 и -г = 234.
Понятие т лишено физического смысла и
является лишь удобной для расчетов величи-
ной. Очевидно, для каждого интервала тем-
3*
ператур значения а и т будут различны, но
выбор величины 7?0 уже не зависит от т.
Зависимость сопротивления никеля от тем-
пературы обычно определяется эксперимен-
тально для каждой марки никеля, ибо темпе-
ратурный коэффициент торговых марок никеля
колеблется в довольно широких пределах (от
0,51 до 0,58% на 1°С); кроме того зависимость
сопротивления никеля от температуры весьма
нелинейна.
Вопрос о применении преобразователя тер-
мометра сопротивления из того или другого
металла решается, в основном, химической
инертностью его в измеряемой среде, в инте-
ресующем интервале температур. С этой точки
зрения медь можно применять только до тем-
ператур 100—150° С в атмосфере, свободной
от влажности и корродирующих газов. При
более высоких температурах медь окисляется.
Изоляцией может служить эмаль, шелк. Кроме
того, недостатком меди является ее малое
удельное сопротивление.
Никель, при условии хорошей изоляции на-
мотки от воздействия среды, можно применять
до 250—300° С, так как при более высоких
температурах зависимость R = f(t) для него
неоднозначна. Линейную зависимость сопро-
тивления от температуры можно принять толь-
ко для температур не выше 100° С; в этих
пределах т для чистого никеля равно 150—170.
Ввиду неопределенности температурного
коэффициента никеля, последовательно с нике-
левой проволокой необходимо включать ман-
ганиновое сопротивление, снижающее темпе-
ратурный коэффициент преобразователя тер-
мометра до определенного (расчетного) зна-
чения.
Основным преимуществом никеля является
большая величина удельного сопротивления
(р== 0,075 -г- 0,085 ом -мм2/м).
Наиболее часто для намотки термометров
сопротивления применяется платина, вслед-
ствие ее химической инертности. Получение
платины в чистом виде не представляет труда.
Однако платину нельзя применять в восста-
новительной среде (углерод, пары кремния,
калия, натрия и т. д.).
Платиновые термометры сопротивления
применяют обычно до 500° С, хотя верхним
пределом ее применения можно считать 1 000—
1 200° С. При температурах выше 500° С прак-
тичнее пользоваться термоэлектрическими пи-
рометрами.
Платиновую проволоку применяют без изо-
ляции, наматывая ее на каркас с некоторым
шагом.
Конструкции и технические данные различ-
ных преобразователей термометров сопротив-
ления приведены в § 34-2.
Начальное сопротивление преобразователей
выбирают таким, чтобы сопротивление выводов
обмотки и линии, соединяющей преобразовате-
ли с измерительной цепью, было возможно
меньше сопротивления обмотки преобразовате-
ля. Кроме того, при малом сопротивлении
преобразователя значительно затрудняется точ-
ная подгонка его сопротивления под заданное
значение. Однако большое сопротивление пре-
образователя вызывает увеличение его габари-
тов (при том же рабочем токе), а также уве-
личение напряжения источника питания цепи,
в которую включено термосопротивление.
Обычно начальное сопротивление преобра-
зователей равно 50—100 ом и выше.
Ранее уже указывалось, что необходимо
Ьыбрать такое значение рабочего тока преоб-
разователя, при котором нагрев, обусловлен-
ный им, был бы минимальным. С другой сто-
роны, желательно допустить возможно боль-
ший рабочий ток, так как при любом методе
измерения сопротивления в этом случае воз-
можно применение менее чувствительного и
более надежного измерителя.
Обычно измерительный ток в преобразова-
телях термометров сопротивления не превосхо-
дит 10—15 ма.
Перегрев преобразователей измерительным
током, естественно, зависит от сечения, поверх-
ности и удельного сопротивления материала
обмотки. При прочих равных условиях допу-
стимый измерительный ток пропорционален
корню квадратному из поверхности и из сече-
ния проволоки и обратно пропорционален кор-
ню квадратному из удельного сопротивления.
Эти положения вытекают из анализа факто-
ров, определяющих температуру, соответствую-
щую тепловому равновесию термосопротивле-
ния с окружающей средой.
§ 5-6. Работа термосопротивлений
в динамическом режиме (тепловая инерция
термосопротивлений)
Этот вопрос представляет практический
интерес при измерении с помощью термосопро-
тивлений пульсирующих температур и скоро-
стей газовых потоков, а также с точки зрения
изучения инерции промышленных термометров
сопротивления при апериодическом изменении
измеряемой температуры, что особенно важно
.для автоматизации ряда производственных
процессов.
В настоящем параграфе рассмотрен лишь ।
вопрос об измерении с помощью термосопро-
тивлений пульсирующих температур и скоро- \
стей газовых потоков. Вопрос о тепловой инер-
ции преобразователей термометров сопротив-
ления одинаково относится и к преобразова-
телям термоэлектрических пирометров. Так I
как решение этого вопроса в значительной I
степени определяется конструкцией защитной
арматуры этих преобразователей, то он рас-
смотрен ниже в § 34-10.
Ограничимся рассмотрением тепловой инер-
ции термосопротивлений при температурах и
скоростях потока, меняющихся относительно
среднего значения по синусоидальному закону.
При этом будем полагать, что при пульсирую-
щей температуре потока его скорость постоян-
на, а при пульсирующей скорости потока по-
стоянна его температура. Аналитическое реше-
ние более общего случая одновременной пуль-
сации скорости и температуры при любой фор-
ме кривой пульсации очень сложно и выходит
за рамки данной книги.
Термосопротивление обычно включается
в мостовую цепь, которую практически нетруд-
но уравновесить при среднем значении темпе-.
ратуры или скорости газового потока. Поэтому
нас в дальнейшем будет интересовать лишь
переменная составляющая температуры или .
скорости, для мгновенных значений которой
можно написать:
макс
где Д/ и Ди — мгновенные значения измене-
ния температуры и скорости среды.
Рассмотрим сначала тепловую инерцию
термосопротивления при пульсирующей темпе-
ратуре. Если выбрать значение тока, проте-
кающего через термосопротивление, достаточ-
но малым, с тем, чтобы тепло, выделяемое то-
ком в термосопротивлении, было пренебрежи-
мо мало по сравнению с теплом, получаемым
им от среды, и если учесть, кроме того, что
лучистый теплообмен термосопротивления со
стенками по сравнению с конвективным тепло-
обменом весьма мал даже при разности их
температур, достигающей сотен градусов, — то
уравнение теплового равновесия будет иметь
вид:
dStn
тс ~аГ = (Ммакс sin шт — tn),
где т, F и с — масса, поверхность и удель-
ная теплоемкость термосопро-
тивления;
tn—мгновенное значение темпера-
туры термосопротивления.
Левая часть уравнения выражает тепло,
идущее на изменение теплосодержания термо-
сопротивления и обусловленное неравенством
в каждый данный момент его температуры и
температуры среды.
После простейших преобразований получим:
---H„ = 4<aKCsin(UT’
где т0 = имеет размерность времени и по-
тому называется постоянной времени термо-
сопротивления.
Общее решение этого дифференциального
уравнения имеет вид:
М„ = Се °-]----------------ма*с- (sin шт — шт0 cos шт).
1 + то “'2
Первый член при установившемся гармони-
ческом процессе отсутствует, тогда
д, __ ^макс
П~ 1 +ш2г
2 (sin шт — ШТ0 cos шт),
о
или
макс cosm:
1+-^о
(tg ШТ —ШТ0).
п
Полагая шт0 = tg<p, имеем:
М cos шт sin (шт— е)
” (1 ш2 Тд) СОЗ шт COS<p
Так как
cos !₽ — — 1
то
<4 = V==T sin ~ 'Р)- (5'23>
У 1 -г <"2 ’о
Таким образом, вследствие тепловой инер-
ции, колебания температуры термосопротивле-
ния отстают по фазе на у гол <р и уменьшены по
амплитуде в 1 4- ш2т2 раз относительно коле-
баний температуры среды.
Приведенные рассуждения справедливы
лишь при условии одинаковой температуры во
всех точках сечения термосопротивления, что
для тонких проволок имеет место в действи-
тельности.
На фиг. 5-12 приведены кривые (получен-
ные расчетом и подтвержденные эксперимен-
тально Я- М. Феенбёргом), характеризующие
амплитудную погрешность термосопротивле-
ния, выполненного из торированного вольфрама
диаметром 0,025 мм. На оси абсцисс отло-
жены значения частоты пульсаций темпера-
туры в минуту, а по оси ординат — отношение
амплитуд температуры проволоки к темпера-
туре среды. Кривые приведены для различных
значений скорости газового потока (т. е. для
различных ;).
Принимая, что сопротивление проволоки
изменяется с температурой линейно и обоз-
начая через ^К.макс — изменение сопротизления
Фиг. 5-12. Кривые, характеризующие ам-
плитудную погрешность термосопротив-
лений, работающих в динамическом режиме
проволоки, соответствующее изменению
температуры среды, а через — изменению
btn температуры проволоки, получим:
^макс
sin (шт—<р).
Для пульсирующих скоростей Ю. Г. Заха-
ровым [Л.33] получено аналогичное выраже-
ние:
sin (шт -Т1), (5-24)
v i+“24
где постоянная времени т01 определяется вы-
ражением:
t — t
_ __nep lc . .
T01— mC /2 Rc
здесь tncp—среднее значение температуры
проволоки;
t—температура среды (согласно при-
нятому выше ограничению, мы
принимаем, что при пульсирую-
щей скорости температура среды
сохраняется неизменной);
I2Rc— мощность, выделяемая током в
проволоке, соответствующая со-
противлению проволоки Rc (при
температуре среды ^с).
Появление в выражении для £01 мощности
Z2 Rc не трудно понять, если учесть, что при
измерении скорости потока через термосопро-
тивление пропускается значительный ток, бла-
годаря чему в уравнении теплового равнове-
сия появится член I2RC, выражающий тепло,
выделяемое током.
Следует сделать, однако, оговорку, что вы-
ражение (5-24) справедливо лишь для малых
значений амплитуды пульсации скорости, ибо
зависимость сопротивления проволоки от ско-
рости потока далека от линейной (§ 5-3).
В заключение отметим, что приведенные
рассуждения справедливы лишь для синусо-
идальных изменений температуры и скорости.
При наличии в гармонических колебаниях
этих величин высших гармоник пользоваться
приведенными выражениями для оценки
амплитудных и фазовых погрешностей резуль-
татов измерения следует с большой осторож-
ностью.
Глава шестая
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
§ 6-1. Теоретические основы
Измерение концентрации электролита мето-
дом электропроводности сводится к измерению
сопротивления электролитической ячейки (пре-
образователя), представляющей собой сосуд
с двумя электродами, заполненный испытуе-
мым раствором электролита.
Удельная электропроводность х растворов
определяете^ выражением:
х z=fca. (u+ + и-),
где с — концентрация электролита;
а — степень диссоциации;
и+ и и~ — подвижности ионов;
f—коэффициент активности, учиты-
вающий электростатические силы
междуионного притяжения.
Значение f близко к единице лишь у слабых
электролитов не слишком больших концентра-
ций. У сильных же электролитов, являющихся
полностью диссоциированными даже при ма-
лых концентрациях, и у слабых электролитов
при значительных концентрациях расстояния
между ионами малы и электростатические силы
уменьшают свободную энергию иона, его ско-
рость (подвижность), а следовательно, и коэф-
фициент активности.
Электрические методы измерения концен-
трации электролита учитывают не действитель-
ную концентрацию с, а значение /с, так назы-
ваемую «активность» электролита, что пред-
ставляет большое преимущество электрических
методов, измерения концентрации, так как
«активность» более полно характеризует хими-
ческие технологические процессы.
Практически приходится пользоваться
экспериментальными данными электропровод-
ности для различных концентраций разных
электролитов, полученными исследователями
путем непосредственных измерений, так как
значения / и х не являются однозначными.
Весьма часто пользуются понятием „экви-
валентная электропроводность0 2, под которой
понимают величину
* = (64)
где х — удельная электропроводность;
-г;—эквивалентная концентрация раствора,
т. е. концентрация, измеренная в
грамм-эквивалентах растворенного ве-
щества в 1 мл раствора (эквивалент-
ная концентрация определяется иног-
да числом т]] грамм-эквивалентов ве-
щества, растворенного в 1 л раствора;
очевидно т|! = 1 00071).
Приборы, измеряющие концентрацию ра-
створов, обычно градуируются в мг{л.
Связь между концентрацией р, выражен-
ной в мг1л, и эквивалентной концентрацией т|
определяется формулой:
р = т]8-106 (6-2)
или Р ю-в>
где 8 — эквивалентный вес растворенного веще-
ства (вес одного грамм-эквивалента вещества;
например для NaCl 8 = 58,46).
Из уравнений (6-1) и (6-2) получаем сле-
дующую связь между удельной х, эквивалент-
ной Л электропроводностями и концентра-
цией р, выраженной в мг/л:
х = 2^.ю-б. (6-3)
На фиг. 6-1 показаны кривые зависимости
удельной электропроводности от концентрации
в широких ее пределах. Как видно из фигуры,
Фиг. 6-1. Зависимость удельной электро-
проводности от эквивалентной концентрации
для различных растворов электролитов
эти кривые не являются однозначными; поэто-
му измерение концентрации методом электро-
проводности можно производить либо на вос-
ходящей, либо на нисходящей ветви кривой.
Начальный участок кривых зави-
симости удельной электропроводно-
сти от концентрации для ряда элек-
тролитов дан на фиг. 6-2.
Для того чтобы подсчитать со-
противление преобразователя, соот-
ветствующее той или иной концент-
рации, необходимо знать удельную
проводимость электролита и так на-
зываемую «постоянную преобразова-
теля» С.
Постоянная С выражает собой
отношение усредненной длины пу-
тей движения ионов между электро-
дами к площади электродов.
В общем случае, когда сечение S
неоднородно,
с=к-
о
Постоянную С можно определить опытным пу-
тем при помощи образцового раствора (напри-
мер КС1) известной концентрации, для кото-
рого точно определена удельная проводимость
х при разных значениях температуры. Напол-
нив ячейку образцовым раствором и измерив
его сопротивление, легко подсчитать С = 7? х.
Преобразователь может быть металличе-
ским или неметаллическим, в зависимости от
природы испытуемого электролита. Материал
электродов также обусловлен природой элек-
тролита.
Для измерения сопротивления преобразова-
теля, вообще говоря, может быть применен
любой из методов измерения сопротивления.
Измерение производится на переменном токе
(для того, чтобы не происходило электролиза
во время измерения). Исключение составляют
приборы, работающие в специальных условиях
от сети постоянного тока, при непрерывном
протекании раствора через ячейку. При вклю-
чении прибора в сеть постоянного тока напря-
жение питания цепи должно быть достаточно
велико, чтобы электродвижущая сила поляри-
зации не вызвала большой погрешности изме-
рения.
Градуировку приборов для измерения кон-
центрации растворов можно производить дву-
мя способами: а) посредством образцовых рас-
творов и б) посредством образцовых магази-
нов сопротивления, вычислив значения сопро-
тивлений для ряда заданных концентраций
Очевидно, что в производственном отношении,
особенно при серийном выпуске приборов, бо-
Фиг. 6-2. Начальный участок кривых зависимости удельной электро-
проводности от концентрации для различных растворов электролитов
лее удобным является второй способ градуи-
ровки.
Сопротивление преобразователя, подсчитан-
ное по его постоянной, представляет его актив-
ное сопротивление, в то время как при работе
на переменном токе показания прибора соот-
ветствуют полному сопротивлению преобразо-
вателя. Различие между полным и активным
сопротивлениями, характеризуемое сдвигом по
фазе между током и напряжением в преобра-
зователе, может обусловить собой погрешность
измерения у прибора, градуированного по об-
разцовым сопротивлениям, доходящую в неко-
торых случаях до нескольких десятков про-
центов.
Дело в том, что при прохождении через
преобразователь переменного тока имеет место
ряд явлений, эквивалентных в электрическом
отношении действию емкостей, включенных по-
следовательно и параллельно активному сопро-
тивлению преобразователя. Сюда относится
в первую очередь емкость двойного слоя заря-
дов на границе электрод — раствор. Эту
емкость, называемую статической емкостью,
можно принять включенной последовательно
с сопротивлением раствора электролита. Кроме
того, необходимо учесть емкость, обусловлен-
ную перемещением зарядов друг относительно
друга и относительно зарядов на электродах,
происходящим при всяких изменениях тока
в растворе электролита. Эту емкость, называе-
мую электролитической емкостью, можно при-
нять включенной параллельно сопротивлению
раствора электролита.
Что касается так называемой геометриче-
ской емкости преобразователя, обусловленной
геометрическими размерами и формой его (ее
следует считать включенной параллельно со-
противлению раствора электролита), то она
настолько незначительна, что ею можно пре-
небречь (по сравнению с перечисленными выше
емкостями).
В табл. 6-1 приведены полученные А. М. Ту-
ричиным [Л. 791 результаты испытания преоб-
разователя с платиновыми электродами пло-
щадью 0,9 см2, расположенными на расстоянии
10 см друг от друга. Диаметр трубки преобра-
зователя 22 мм, ток в преобразователе 0,5 ма,
частота тока 50 гц.
Таблица 6-1
Раствор Полное сопротивле- ние, ом Активное сопротивле- ние, ом Реактивное сопротивле- ние, ом Емкость, мку. Сдвиг фаз I между током I н нэпряже- 1 нием
NaCl 0.01N . . . 3818 3812 187 17 2°48'
NaCl 0.1N .... 484 463 124,5 24,0 15с50'
Nad IN 88,1 61,9 62,5 50,8 45° 16'
CuSOt 0,0IN . . . 23 0 3348 147 21,7 2°ЗГ
CuSO4 0.1N . . . 565 556 98,4 22,4 10с08'
CuSO4 IN ... . 149,2 116,9 92,5 34,4 20°36'
Сопоставляя приведенные выше данные,
приходим к заключению, что значением емко-
стного сопротивления преобразователя прене-
брегать отнюдь не приходится, что различие
между полным и активным сопротивлениями
преобразователя может быть весьма значитель-
ным.
Как практический вывод из приведенных
данных вытекает необходимость выбора пре-
образователя достаточно большого сопротив-
ления (порядка 500—1 000 ом) с тем, чтобы
падение напряжения на нем было в пять-шесть
раз больше падения напряжения на емкости,
что позволяет производить градуировку прибо-
ра при помощи образцовых сопротивлений.
Падение напряжения на емкости обычно не
превышает 2 в. Конструирование преобразова-
теля такого сопротивления при измерениях
больших концентраций представляет известные
затруднения.
Электропроводность раствора в значитель-
ной степени зависит от температуры; для сла-
бых концентраций (до 0,05Л0 эта зависимость
может быть выражена уравнением:
*0 [1 +М* — *о)+₽2 (*—Г0)2]>
где Pi и р2 — температурные коэффициенты
проводимости. Значением р2(^ — /0)2 обычно
можно пренебречь, ввиду его малой вели-
чины.
Величина температурного коэффициента
при комнатной температуре колеблется при-
мерно ОТ 0,016 для
1
кислот до 0,024 _1—
1°С
для солей ^для оснований = 0,019При
этом с увеличением температуры значение
уменьшается.
Вследствие значительного температурного
коэффициента проводимости электролитов
одним из основных критериев практической
пригодности промышленных приборов для из-
мерения концентрации является удачное реше-
ние вопроса компенсации влияния зависимо-
сти проводимости раствора электролита от тем-
пературы.
§ 6-2. Компенсация температурной
погрешности электролитических
преобразователей
Существует большое число различных мето-
дов температурной компенсации. Однако все
эти методы дают несовершенную температур-
ную компенсацию, причем погрешность от из-
менения температуры электролита растет
с увеличением диапазона изменения темпера-
туры и концентрации электролита.
Компенсация температурной погрешности
электролитических преобразователей осуще-
ствляется при помощи катушек медной прово-
локи (термосопротивлеиий), включаемых
в цепь прибора и помещаемых в электролит
с тем, чтобы температура катушки и электро-
лита была одной и той же. Компенсация
облегчается, если при помощи параллельного
включения к преобразователю Rx сопротивле-
ния Ri (фиг. 6-3) из манганиновой проволоки
Фиг. 6-3. Схема компенсации
температурной погрешности
последовательным включением
компенсирующего сопротивле-
ния
уменьшить температурный коэффициент полу-
ченной цепи до температурного коэффициента
сопротивления меди.
Компенсация температурной погрешности
последовательным включением компенсирую-
щего сопротивления (фиг. 6-3). Сопротивление
Ri, включенное параллельно электродам, вы-
полнено из манганина, а компенсирующее
сопротивление RK — из меди или никеля.
При температуре градуировки
R jpR I
^АВ = Rx -Р Л, + Як
При повышении температуры на 6°С
Rx Ri
I ___ ____________л 1_______
ЛВ — / R
+ M)l 1 + 4-Я1
+AU+M).
где — температурный коэффициент прово-
димости раствора электролита;
а.к—температурный коэффициент сопро-
тивления RK.
Компенсация будет иметь место при
^ав #ав•
Таким образом, мы получаем квадратное
уравнение относительно Rx, из чего делаем
заключение, что при заданных значениях /?1
и RK компенсация для заданного 6 будет
иметь место для двух значений Rx.
Практически интересна обратная задача:
определить значения Ri и RK для заданного
диапазона изменения Rx (от Rxi до Rx2) и за-
данного повышения температуры 6. Решая
уравнение Rab = Rab относительно Ri и RK
для двух значений Rx (Rxl и Rx2), получаем:
K1 ~ У 1 -т м
и
D ^1^?^
= [^1 + *1U + h0)1 (Ях1 + ’
Таким образом, для любых двух значений
концентрации можно подсчитать необходимые
величины сопротивлений R[ и Rx для задан-
ного диапазона изменения температуры 6.
(Жевидно, что при промежуточных значениях
концентраций и концентрациях, лежащих за
пределами Rx[ и Rx2, а также при промежу-
точных температурах между и и за их
пределами, полной компенсации не будет.
Погрешность от температуры будет тем боль-
ше, чем шире диапазон изменения концентра-
ции и температуры исследуемого раствора
электролита.
Недостатком этой цепи является, кроме
того, большая величина компенсирующего
сопротивления RK, что затрудняет конструи-
рование преобразователя и отвод тепла от
него. При нагреве же RK током, его сопро-
»тивление увеличится и компенсация нару-
шится.
Компенсация температурной погрешности
включением компенсирующего сопротивления
в цепь моста. Если построить кривые RAB~
— f(t) (фиг. 6-4) и провести прямые лучи та-
ким сбразом, чтобы они проходили возможно
ближе к кривым RAB=f(t) и пересекались
в одной точке (точке kJ, то угол наклона а
лучей является критерием концентрации:
а = /(р).
Для разбавленных растворов точку k можно
выбрать на оси абсцисс.
Если расстояние от начала координат до
точки k обозначить через а, то для любой
температуры t можно написать:
Фиг. 6-4. Зависимость сопротивления RAB преобразова-
теля и шунта от температуры t при различных концен-
трациях электролита
При мостовой цепи (фиг. 6-5) включения
компенсирующего сопротивления можно так
подобрать параметры цепи, чтобы ток в изме-
рителе изменялся в функции от концентрации
электролита и его температуры согласно по-
следнему выражению.
Ток 1Г в измерителе равен:
, __. — RiRK
г Rr (Ri + #2 + RK) 4- (Ri 4- #з) № + RK ) ’
Полагая, что знаменатель — величина по-
стоянная (изменение RK мало по сравнению
с величинами остальных сопротивлений) при
равенстве = можно написать:
Ir — TliI(R3 — RK), (6-5)
где п\ — коэффициент пропорциональности.
Принимая, что общее сопротивление моста
•мало по сравнению с сопротивлением Rx, можно
считать, что общий ток I обратно пропорцио-
нален сопротивлению преобразователя RAB-
1=п2', (6-6)
К ДП
где п2 — коэффициент пропорциональности.
Остается выбрать плечи Ra и RK такими,
чтобы разность (/?3— RK) при увеличении зна-
чения RK с температурой изменялась пропор-
ционально разности (a — t).
Если температурный коэффициент Rk обо-
значить через ак, то
Яз — — RK0 (1 + aKt),
где RkQ — сопротивление RK при О °C;
ак~ температурный коэффициент сопро-
тивления RK.
Тогда имеем:
^3 — ^3 RK0 Rrfp-iJ'
Обозначая разность Ra— RkQ через /г3, получим:
^з RK пз RKoaxt '
Если теперь выбрать nslRKQaK равным а, т. е.
Яз — Rk0____
р п ----я,
то
^3 — RK = RKoaAa — t).- (6-7)
Подставляя выражения (6-6) и (6-7) в урав-
нение (6-5), получаем:
= (а — t) = «4 (а — f),
где
ni = riin2RK0all.
Таким образом, цепь фиг. 6-5, при. соблю-
дении допущений, принятых выше, обеспечи-
Фиг. 6-5. Принципиальная схема температур-
ной компенсации методом включения ком-,
пенсирующего сопротивления в цепь моста
вает температурную компенсацию в пределах
погрешностей, обусловленных лишь степенью
несовпадения прямых лучей с кривыми сопро-
тивления (фиг. 6-4).
Следует отметить, однако, что рассматри-
ваемый метод температурной компенсации дает
хорошие результаты лишь при измерении малых
концентраций электролитов. При больших кон-
центрациях, когда Добычно мало, пренебрегать
сопротивлением моста относительно Rx уже
нельзя. Кроме того, при больших концентрациях
нельзя ожидать возможности проведения всех
лучей на фиг. 6-4 из одной точки, к тому же еще
лежащей на оси абсцисс, вследствие более
резких различий в кривизнах характеристик
/?лв=/(0- В этом случае придется иметь дело
не с одним центром лучей, а с двумя или
несколькими центрами, что приводит к более
сложной зависимости, чем уравнение (6-4), а
следовательно, и к более сложной цепи, чем
цепь, изображенная на фиг. 6-5.
Кроме того, необходимо отметить, что при
нулевой концентрации, т. е. при Rx — oo,
Кдв — ’ и ток в измерителе будет равен
конечной величине, а не нулю. Использование
всей шкалы измерителя при этом возможно либо
введением в схему дополнительного источника
тока для компенсации начального отклонения
измерителя, либо применением логометра в ка-
честве измерителя.
Компенсация температурной погрешности
по методу А. М. Туричина. Принципиальная
схема прибора изображена на фиг. 6-6. Через
rt и г2 обозначены две дифференциально вклю-
ченные обмотки катушки измерительного при-
бора (например две обмотки на каркасе рамки
магнитоэлектрического прибора). Через Rx обо-
значено сопротивление раствора электролита
(преобразователя), а через RK— компенсирую-
щее сопротивление (из меди), включенное
параллельно одной из обмоток. Сопротив-
ление г служит для регулировки прибора на
заданный предел измерения. Сопротивление /?3
должно быть значительно больше, чем общее
сопротивление цепи, приключенной к точкам
Ал В.
Если выбрать сопротивление измерительной
цепи, приключенной параллельно преобразова-
телю, достаточно большим по сравнению с Rx,
то можно принять, что через раствор электро-
лита при любых концентрациях (а следова-
тельно, при любых сопротивлениях Rx) про-
ходит один и тот же ток, обусловленный
приложенным напряжением U и сопротивле-
нием В3.
Таким образом, сопротивления выбираются
удовлетворяющими условиям:
+ + (6-8)
Вращающий момент М, действующий на по-
движную часть прибора, пропорционален раз-
ности м. д. с. катушек г2 и Г\, т. е.
M = n{I2w2 — IiWfi, (6-9)
где « — коэффициент, пропорциональности.
Фиг. 6-6. Принципиальная схема тем-
пературной компенсации по методу
А. М. Туричина
Так как токи в катушках Г\ и г2 пропорцио-
нальны падению напряжения между точками
Л и В, то
I\W\ = n]IRx, а 12ч02=.п2Жх,
где /—ток в неразветвленной части цепи;
п\ и п2—коэффициенты пропорциональности.
Таким образом, при номинальной темпера-
туре имеем:
M = nIRx(n2 — п\). (6-10)
При повышении температуры изменяются
сопротивления Rx и RK.
Величина RK выбирается значительно мень-
шей, чем г2 и Г], поэтому небольшие измене-
ния величины RK не повлияют на общее сопро-
тивление измерительной цепи, приключенной
к точкам Л и В.
Тогда при повышении температуры на 0°С
, Rr
<6-И)
, Вг(1 + а„0)
/2®2 = «2/-4^, (6-12)
где ак — температурный коэффициент сопро-
тивления В,£;
$х — температурный коэффициент проводи-
мости раствора электролита.
На основании выражений (6-10), (6-11)
и (6-12) вращающий момент при повышенной
температуре равен:
М' = п (l'2w2 — —
динамическим прибором на переменном токе.
Преобразователь Rx шунтирован первичной
обмоткой трансформатора Тр. Вторичные об-
мотки w2 и w3 включены таким образом, что
= nIRx
— nIRx
w2 О + %-®)
~i + M
(n2+n2-i^ — n} \ _
T=nIRx(n2 — «])
Если постоянные n2 и ri[ подобрать так,
чтобы
п2 — пх
Фиг. 6-7. Вариант схемы тем-
пературной компенсации по
методу А. М. Туричина с фер-
родинамическим прибором
то
М'=п (l'2w2 — /|®>1) — nIRx (п2 — пх) = М.
Таким образом, при соблюдении условий (6-8)
и условия
г2>Як (6-13)
вращающий момент прибора не зависит от тем-
пературы.
Вследствие конечности значений отноше-
ний RkT2 и RxR (R — сопротивление измери-
тельной цепи, приключенной к точкам А и В;
R — г
г2^к \
г2~Г RK) ’
имеет место погреш-
ность измерения. Аналитический расчет по-
грешностей, обусловленных конечными значе-
ниями отношений Rjr2 и Rx/R, показывает,
что обе погрешности имеют различные знаки
и что уже при RJr2 = ~~ и Rx/R = ^ суммар-
через подвижную рамку Rp измерителя проте-
кает ток, равный разности токов /2 и Г2 .
Катушка возбуждения Rg включена в сеть
последовательно с большим сопротивлением R
так, что ток I, протекающий через Rr, опре-
деляется лишь напряжением U и сопротивле-
нием R.
Если, кроме того, трансформатор рассчитан
таким образом, что <7, то можно показать,
что условием температурной компенсации
является:
1
ак !—а
г2^ ^р
(ri + ^р)+ а%р
(I + М)>
где
ная погрешность не превосходит 2% при повы-
шении температуры раствора электролита
на 50 °C.
На фиг. 6-7 показан вариант использования
рассматриваемого метода с обычным ферро-
Г2
Из этого выражения видно, что температурная
компенсация не зависит от Rx, а при 1
практически не зависит и от 6.
Глава седьмая
ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 7-1. Теоретические основы
Полярографический метод качественного и
количественного анализа основан на использо-
вании явления поляризации на непрерывно
обновляющемся ртутном электроде [Л. 171.
Первые работы по полярографии были
опубликованы автором этого метода Я. Гейров-
ским в 1923 г. Очень много сделано для раз-
вития указанного метода Д. А. Вяхеревым,
Е. М. Скобец, С. А. Кочеровой и др.
Полярографический преобразователь пред-
ставляет собой электролитическую ячейку, со-
стоящую из сосуда (фиг. 7-1), наполненного
раствором анализируемых веществ, и двух
ртутных электродов. Анодом является ртуть,
заполняющая дно сосуда, катодом — капля
ртути, образующаяся на конце капиллярной
трубки, заполненной ртутью. Под влиянием
собственной тяжести капля ртути падает на
дно сосуда, после чего образуется следующая
капля, и т. д. Таким образом, катодом является
непрерывно возобновляющаяся капля ртути.
Рассмотрим, какие явления имеют место
в такой ячейке при прохождении через раствор
весьма небольших токов (порядка 10~6cz).
Если бы ток не проходил, т. е. цепь тока
на фиг. 7-1 была разомкнута, то каждый из
ртутных электродов имел бы электродный по-
тенциал, определяемый природой и концентра-
цией раствора.
Однако при прохождении тока, на катоде,
благодаря большой плотности тока на ртутной
капле, происходит процесс восстановления по-
ложительных ионов из раствора. При этом на
ртутной капле образуется амальгама восста-
новленного вещества, имеющая потенциал ек,
характерный для каждого вещества.
Так как ртутный анод имеет большую пло-
щадь и плотность тока на нем мала, то хими-
ческих явлений, способных изменить элек-
тродный потенциал еа анода, не происходит,
и потенциал анода практически сохраняется
неизменным.
Таким образом, при прохождении тока
через описываемый преобразователь возникает
э. д. с. поляризации, равная еа — ек, направ-
ленная навстречу приложенному к электроли-
тической ячейке напряжению U. Ток I в по-
добном преобразователе можно выразить как
j и-^а~е^ t
Г
где г — сопротивление раствора постоянному
току.
Принимая во внимание, что сопротивление г
раствора обычно не превышает 1 000 ом и что
падение напряжения 1г в растворе, следова-
тельно, очень мало (порядка 1 мв), можно
считать, что *
U = е — е .
а к
Принимая постоянный потенциал анода за нуль,
получим выражение:
показывающее, что все приложенное напря-
жение U уравновешивается потенциалом поля-
ризации катода. Поэтому такой ртутный элек-
трод называют абсолютно поляризующимся
электродом.
Для того чтобы оценить те возможности,
которые открывает такой абсолютно поляри-
зующийся катод с точки зрения качественного
и количественного анализа, рассмотрим вольт-
амперную характеристику Z = f(77), где U —
напряжение, снимаемое с делителя напряжения
на фиг. 7-1. Положим, что в растворе содер-
Фиг. 7-1. Принципиальная
схема полярографа
жатся ионы: Pb++, Cd++, Zn++ и К+- В этом
случае вольтамперная характеристика 1 =
= f(U), получаемая при возрастающем (от
U = 0) напряжении, будет иметь вид, показан-
ный на фиг. 7-2 [Л. 441.
Как видно из фигуры, кривая имеет волно-
образный вид. Ток изменяется скачками, воз-
никающими при совершенно определенных
значениях приложенного к ячейке напряжения.
Участки же кривой между скачками тока
являются почти горизонтальными.
Исследование показало, что первый скачок
тока, имеющий место при U = —0,45 в, обу-
словлен электролитическим выделением (при
потенциале катода, равном —0,45 в относи-
тельно потенциала анода) свинца за счет при-
сутствующих в растворе ионов свинца. Иначе
говоря, при потенциале катода, равном —0,45 в
относительно потенциала анода, на катоде
возникает процесс восстановления свинца:
РЬ+ + + 2е-»РЬ,
РЬ -ф- х Hg —+ амальгама свинца.
При этом на ртутной капле образуется амаль-
гама свинца.
Так как ртутные капли непрерывно сменяют
одна другую, то процесс перемещения ионов
свинца к катоду, происходящий благодаря диф-
фузии, и процесс восстановления ионов свинца
на катоде непрерывно существуют. Значение
установившегося тока определяется скоростью
диффузии ионов свинца к ртутной капле из
пространства, окружающего катод.
Так как благодаря процессу восстановления
ионов на катоде концентрация этих ионов у ка-
тода практически становится равной нулю, то
скорость диффузии, пропорциональная разно-
сти концентраций ионов в растворе и на като-
де, практически пропорциональна только кон-
центрации ионов в растворе.
Подобным же образом объясняется скачок
тока при U — —0,60 в. Оказывается, что при
этом напряжении происходит катодный про-
цесс восстановления ионов кадмия (Cd), с об-
разованием на ртутной капле амальгамы
кадмия:
Cd + + 4-2 О ->Cd,
Cd -|- х Hg —»амальгама кадмия.
При потенциале катода, равном—1,05 в
! относительно потенциала анода, происходит
процесс восстановления ионов цинка:
Zn+ + -|-2 e->Zn,
Zn-}- х Hg —»амальгама цинка.
Наконец, при U——1,86 в возникает про-
i цесс восстановления ионов калия:
к+4-е-к,
К 4- х Hg —»амальгама калия.
> Таким образом, потенциал, при котором
i наблюдается скачок тока, может служить для
i целей качественного анализа, а высота волны,
Фиг. 7-2. Полярографическая кривая
I т. е. разность токов, соответствующих двум
| соседним скачкам, может служить для целей
| количественного анализа, поскольку ток опре-
I деляется скоростью диффузии ионов к катоду,
( зависящей от концентрации ионов в растворе.
Из фиг. 7-2 видно, что небольшое возраста-
ние тока имеет место как на начальном
участке кривой, т. е. до U = —0,45 в, так и
на участках между скачками тока, тогда как
ионов, восстанавливающихся на катоде при
напряжениях до —0,45 в и на участках между
скачками тока в рассмотренном растворе не
имеется.
Это возрастание тока, пропорциональное
возрастанию напряжения, может быть компен-
сировано, если через измеритель пропускать
Фиг. 7-3. Полярографиче-
ская кривая
от добавочного источника соответствующего
значения ток обратного (по сравнению с основ-
ным током) направления.
Вольтамперные характеристики / = /((7),
получаемые в ячейке с ртутным капельным
электродом, носят название «полярографиче-
ских кривых», или «полярограмм». Так как
ртутные капли сменяют друг друга через ко-
нечный промежуток времени, то кривые (поля-
рограммы) имеют обычно зубчатый вид, по-
добный изображенному на фиг. 7-3, поскольку
в момент отрыва капли ток прерывается.
Фиг. 7-4. Зависимость поляро-
графических кривых от концен-
трации катионов
Потенциал восстановления катиона, при
всех прочих условиях, зависит >акже и от кон-
центрации катионов в растворе. С увеличением
этой концентрации потенциал, характеризую-
щий наступление процесса восстановления ка-
тионов, будет уменьшаться. Зависимость поля-
рографических кривых от концентрации катио-
нов в растворе показана на фиг. 7-4.
Высота Н волны полярограммы, естествен-
Нейтральная
среда
но, зависит не только от концентрации, но и от
масштаба осей диаграммы, а также от пара-
метров преобразователя — ячейки, т. е. от раз-
меров ртутной капли, от времени смены капли.
Однако из фиг. 7-4 нетрудно видеть, что
кривые, полученные для различных концентра-
ций катионов в растворе, симметричны относи-
тельно середины волны. Поэтому напряжение,
-0,5 -1,0 -1,5 -2,0
П"Г П'ЛПЖ' 'СГ
fet’tfewPe+ Cdt'C2¥tZn^Ni*fFe,tMnttlfAlt,tBa,,Nh
^ОЙ ЯЙ) ЧЙ -2,0
Cd Рв Fe* * Zn Cd* Fe Сг
Щелочная
среда
Фиг. 7-5. Полярографический спектр
соответствующее полуволне, не зависит от
концентрации катионов в растворе. Совершен-
но очевидно, что напряжение полуволны не
будет зависеть ни от масштабов диаграммы,
ни от параметров ячейки.
Поэтому для целей качественного анализа
пользуются только потенциалами полуволн,
ибо эти потенциалы определяются только при-
родой катиона.
Потенциалы полуволн различных элемен-
тов, восстанавливающихся на ртутном эле-
ктроде, образуют полярографический спектр,
приведенный на фиг. 7-5. Как видим,, характер
спектра в значительной степени зависит от
среды. Все значения потенциалов восстановле-
ния даны относительно потенциала нормально-
го каломельного электрода (см. § 16-2).
Следует отметить, что для полярографиче-
ского анализа достаточно снять кривую
/==/({/) в пределах от 0 до —2 в. В этом
диапазоне происходит восстановление почти
всех катионов, способных восстанавливаться
на ртутном катоде.
Следует отметить также, что в некоторых
случаях возможна поляризация ртутного ка-
пельного электрода в качестве анода, когда
большая масса ртути имеет отрицательный от-
носительно капельного электрода потенциал.
Это возможно, например, в тех случаях, когда
раствор содержит малые количества анионов,
которые реагируют с ионами ртути; такие
анионы, как С1~, Вг_, SO3_~, дают на поляро-
графических кривых предельные токи с вол-
нами, из которых можно выводить такие же
аналитические соотношения, как из волн, обра-
зовавшихся вследствие рассмотренных выше
процессов восстановления на ртутном капель-
ном катоде. Подробнее этот вопрос рассматри-
вается в специальной литературе [Л. 17].
§ 7-2. Особенности применения
полярографического метода
Для получения надежных результатов изме-
рения концентраций полярографическим мето-
дом необходимо учитывать целый ряд обстоя-
тельств, могущих значительно уменьшить чув-
ствительность метода, а иногда и исказить по-
лучаемые результаты.
Компенсация начального тока. Выше было
отмечено, что почти все ионы, способные вос-
станавливаться на ртутном катоде, требуют
напряжений, лежащих в диапазоне от О
до —2 в.
Если, кроме ионов, концентрацию которых
желательно определить, в растворе содержатся
ионы, восстанавливающиеся при более положи-
тельных потенциалах (чем определяемый ион),
то скачок тока, соответствующий измеряемой
концентрации иона, будет получен на не-
большом участке шкалы измерителя тока.
В этом случае для лучшего использования
шкалы целесообразно компенсировать началь-
ное значение тока, соответствующее потенциа-
Фиг. 7-6. Схема компенсации
начального тока полярографа
лу восстановления измеряемого иона, при по-
мощи дополнительного источника тока Е%
(фиг. 7-6), создающего в измерителе ток про-
тивоположного направления (относительно то-
ка, создаваемого основным источником Е\).
Весьма часто прибегают к удалению из
раствора химическим путем ионов с более по-
ложительным потенциалом восстановления
(чем определяемый ион) и к переводу этих ио-
нов в ионы меньшей валентности, имеющие
более отрицательный потенциал восстанов-
ления.
Влияние электропроводности раствора.
Выше было указано, что сопротивление раство-
ра должно быть возможно меньше (не выше
1 000 ом). Для увеличения электропроводности
растворов очень часто приходится вводить
в раствор добавки электролитов, не вступаю-
щих в реакцию с испытуемым раствором; та-
кие добавки называют «фонами».
В качестве фонов чаще всего применяются
одновалентные электролиты, ионы которых
имеют значительно более отрицательный по-
тенциал восстановления, чем определяемые
ионы. К таким электролитам принадлежат, на-
пример, КС1, NaSO4, NH4CI и т. п.
В качестве фонов для определения щелоч-
ных металлов, обладающих значительным
отрицательным потенциалом восстановления,
применяется органический электролит тетраме-
тиламмоний [М(СНз)4]ОН, обладающий еще
более отрицательным потенциалом восстанов-'
ления.
Максимумы (пики) полярографических кри-
вых. При снятии полярограммы раствора иног-
да можно наблюдать пики кривых, мешающие
правильному чтению полярограммы.
Причиной возникновения этих максимумов,
согласно теории А. Н. Фрумкина, является
движение поверхности ртутной капли, вызы-
вающее дополнительное размешивание рас-
твора. Это движение увеличивает скорость пе-
ремещения восстанавливаемых ионов к катоду
и диффузионный ток.
Возникновения максимумов можно избе-
жать, если к раствору добавить поверхностно-
активные вещества, тормозящие движение по-
верхности ртути. К таким веществам принад-
лежат: желатин, агар-агар, столярный клей
и т. п.
Г лава
МАГНИТОУПРУГИЕ
§ 8-1. Теоретические основы
Магнитоупругие преобразователи основаны
на явлении изменения магнитной проницае-
мости р ферромагнитных тел в зависимости
от возникающих в них механических напряже-
ний а, обусловленных воздействием на ферро-
магнитные тела механических сил F (растяги-
вающих, сжимающих, изгибающих, скручива-
ющих). Изменение магнитной проницаемости
ферромагнитного сердечника с надетой на него
катушкой вызывает изменение магнитного
сопротивления RM для магнитного потока
Определение анодного потенциала. Выше
было указано, что катодные потенциалы вос-
становления катионов определяются относи-
тельно потенциала неполяризующегося анода
на дне сосуда (преобразователя). Этот анод-
ный потенциал может несколько изменяться
в различных растворах, в зависимости от
растворимости ртутных солей.
Обычно в таблицах потенциалы восстанов-
ления приводятся относительно потенциала
нормального каломельного электрода, поэтому
перед каждым экспериментом снятия поляро-
графической кривой необходимо измерить по-
тенциал ртутного анода относительно кало-
мельного электрода.
В выпускаемых заводами полярографах
предусмотрена возможность быстрого опреде-
ления анодного потенциала, величину которого
необходимо прибавлять (с учетом знака)
к измеренному значению катодного потенциала.
Часто можно потенциалы всех полуволн
определить, если точно известен один из них.
Иногда, например, к раствору прибавляют не-
много (следы) таллия, который дает полувол-
ну точно при —0,469 в. По этому значению
можно определить потенциалы восстановления
остальных полуволн кривой.
Влияние температуры. Обычно полярогра-
фирование производится при комнатной темпе-
ратуре; в этом случае практически не имеет
значения изменение температуры раствора
в пределах нескольких градусов. При темпе-
ратурах от 25° С и выше имеет место, однако,
значительное возрастание тока, обусловленное
увеличением скорости диффузии восстанав-
ливаемых ионов из раствора к катоду. При
изменении температуры от 20 до 95° С высота
волн увеличивается почти в три раза.
восьмая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
в сердечнике. Изменение же RM ведет к изме-
нению полного электрического сопротивления Z
катушки. Таким образом, мы имеем следующую
цепь преобразований:
Существует и обратное явление: ферромаг-
нитное тело, внесенное в магнитное поле, изме-
няет свои размеры — иначе говоря, внешнее
магнитное поле вызывает механические дефор-
мации ферромагнитного тела.
Явления, возникающие благодаря взаимной
зависимости между механическими и магнит-
ними состояниями ферромагнитных тел,
объединяются обычно общим названием маг-
нитострикционных явлений. В дальнейшем мы
под «магнитострикцией» будем понимать отно-
сительное изменение z = у длины Z стержня,
обусловленное воздействием внешнего магнит-
ного поля. Эффект изменения магнитных
свойств под влиянием механических деформа-.
ций мы будем называть магнитоупругим
эффектом.
Магнитоупругий и магнитострикционный
эффекты открыты свыше 100 лет тому назад.
За это время накопился огромный эксперимен-
тальный материал, харак-
Фиг. 8-1. Кривые из-
менения индукции В от
механической нагруз-
ки Р при различных
значениях напряжен-
ности поля Н
теризующий связь этих
явлений' с различными
свойствами ферромагнит-
ных тел. За последние де-
сятилетия развитие науки
о природе магнетизма,
приведшее к квантово-ме-
ханическому обоснованию
самопроизвольного нама-
гничения, заложило-проч-
ное основание теории фер-
ромагнитных явлений. В
настоящее время обще-
признанной является тео-
рия ферромагнетизма, раз-
работанная на основании
новейших представлений
о физической природе маг-
нетизма Н. С. Акуловым
и его школой [Л. 1].
Опыт показывает, что
магнитострикционные и
магнитоупругие явления
не являются однознач-
ными.
В качестве примера,
на фиг. 8-1 приведены
кривые изменения индукции В в функции от
механической нагрузки Р при различных зна-
чениях напряженности поля Н для проволоки
из мягкой стали. Рабочее значение напряжен-
ности поля следует выбрать таким, чтобы в за-
данном пределе измерения Р магнитная индук-
ция В изменялась однозначно и наиболее
сильно.
Характер кривых B = f(P) зависит от ма-
териала, термической обработки и температуры
сердечника преобразователя.
Теория ферромагнетизма, обобщенная
Н. С. Акуловым [Л. 1] для многочисленных
свойств ферромагнитных тел, дает теоретиче-
ские соотношения, позволяющие обоснованно
подойти к выбору материала магнитоупругого
преобразователя.
Рассмотрим основные положения этой тео-
рии применительно к интересующему нас маг-
нитоупругому эффекту.
Следует отметить, что основные соотноше-
ния теории ферромагнетизма получены путем
исследования кристаллов ферромагнитных тел
и относятся к взаимной связи различных
свойств этих кристаллов (электрических, маг-
нитных и т. д.) и внешних факторов (магнит-
ного поля, механических напряжений и т. д.),
с учетом зависимости этих соотношений от
ориентации кристаллографических осей. Однако
разработанные в последнее время методы
усреднения найденных для монокристаллов
соотношений по различным направлениям дали
возможность получить необходимые формулы
и для поликристаллических тел, каковыми
являются практически используемые ферромаг-
нитные материалы.
Применительно к поликристаллическим те-
лам Н. С. Акулов следующим образом, форму-
лирует свои выводы: «Все упругие эффекты
для поликристаллических тел в области прямо-
линейной части кривой намагничения про-
порциональны первой степени растяжения и
квадрату относительной интенсивности намаг-
ничения».
Для магнитострикции, следовательно, будем
иметь (при намагничивании до значения
интенсивности намагничения J):
»=ч.4. (и;
J ОО
где и — магнитострикция и интенсив-
ность намагничения при насыщении.
Принимая, что в замкнутой магнитной
цепи , можно выражение (8-1) пере-
нос
писать:
Положим, что при отсутствии внешней
силы F, а следовательно, механического на-
пряжения а, вызванного силой F, ферромагнит-
ное тело намагничивалось во внешнем магнит-
ном поле напряженностью Н до индукции В.
Тогда после приложения силы F тело окажется
намагниченным (при том же значении Н) до
магнитной индукции Bf, а магнитная прони-
В &F
цаемость изменится от |х=^-до ц-ф-Ду. = -^г.
4 A. M. Туричин.
Разность работ намагничивания на единицу
объема в обоих случаях равна, очевидно, изме-
нению удельной магнитоупругой энергии Ws,
вызванному внешней механической силой.
Н. С. Акулов показал, что
Ws = — о2,
иначе говоря,
Работа намагничивания W на единицу
объема при заданном значении Н может быть
выражена уравнением:
ту/— вн —
w ~~ 2 — 2 ’
Следовательно, разность работ намагничи-
вания на единицу объема при заданном Н
может быть выражена как
ди7_ ЬВН _ _ № (ц + Дц) _ _ № .
ои/ 2 2 2 2
или
2ц2 г 2ц ц
Так как
Д1Г = 1Г5,
то . В2 вг Дц
“ Л г— б , _ • - —
00 2ц ц
Отсюда
(8-2)
Уравнение (8-2) позволяет сделать следу-
ющие заключения: 1) относительное изменение
магнитной проницаемости пропорционально
произведению на; 2) величина относительного
изменения магнитной проницаемости увеличи-
вается с увеличением значения магнитострик-
ции при насыщении и с уменьшением ин-
дукции при насыщении В^.
Отсюда следует, что для магнитоупругих
преобразователей выгодно применять мате-
риалы, у которых сочетаются большое значе-
ние магнитострикции с большим значением
проницаемости и малой индукцией насыщения.
Для магнитоупругих преобразователей чаще
всего применяют пермаллой с содержанием
никеля 78,5%. Исследования Ф. В. Майорова
(Л. 46] показывают, что наибольшим отно-
шением обладает сплав с содержанием
никеля в 65%.
Действительно, для последнего сплава
имеет место большее значение произведе-
ния . чем для сплава с содержанием ни-
келя в 78,5%.
Магнитоупругие преобразователи выполня-
ются также из обычной мягкой стали. При этом
чувствительность подобных преобразователей
хотя и меньше, чем преобразователей из пер-
маллоя, но вполне достаточна для практиче-
ских целей.
Приведем некоторые результаты испыта-
ний магнитоупругих преобразователей. На
фиг. 8-2 показаны кривые — =f (Р) иг11 =
= — =f(P), где Р — растягивающее усилие
преобразователя из пермаллоя (78,5% Ni)
Фиг. 8-2. Кривые зависимости относитель-
ного удлинения AZ/Z и относительного
изменения магнитной проницаемости
Дц/ц от нагрузки Р
[Л. 96]. Как видно из этих кривых, относи-
тельные изменения проницаемости и длины
при малой нагрузке почти линейны. Относи-
тельную чувствительность этого материала
можно характеризовать как
__ДЦ/Ц__ 5|Л
~ AZ/Z ~
200.
Магнитоупругие преобразователи на пере-
менном токе могут быть использованы и как
преобразователи трансформаторного типа;
э. д. с. во вторичной обмотке при постоянной
м. д. с., создаваемой первичной обмоткой, бу-
дет являться функцией изменения взаимной
индуктивности между катушками, обусловлен-
ной изменением магнитной проницаемости сер-
дечника. Таким образом, э. д. с. во вторичной
обмотке является функцией измеряемой меха-
нической величины.
При измерении быстро переменных сил
первичную обмотку преобразователя можно
питать постоянным током. Тогда во вторичной
обмотке будет индуктироваться э. д. с., мгно-
венное значение которой равно:
где w — число витков;
Ф — магнитный поток, сцепленный с вит-
ками катушки.
§ 8-2. Расчет магнитной цепи
преобразователя
Магнитоупругие преобразователи обычно
работают на переменном токе. Выше было упо-
мянуто, что преобразователи выполняются
чаще всего из сплошного материала, поэтому
при расчете сопротивления магнитной цепи
нельзя не считаться с влиянием поверхностного
эффекта на распределение магнитного потока
по сечению магнитной цепи. При повышенных
частотах напряжения источника питания пре-
образователя, с поверхностным эффектом не-
обходимо считаться и при использовании ли-
стовой стали.
Как известно [Л. 54], плоская электромаг-
нитная волна, * распространяясь в ферромаг-
нитном теле, практически полностью (на 95%)
затухает на расстоянии г0 05 от поверхности,
равном
<8'3)
где ш — угловая частота:
уе— магнитная проницаемость, определен-
ная из основной кривой намагничения
при значении напряженности магнит-
ного поля, равном действующему зна-
чению Нэфф напряженности магнитного
поля на поверхности ферромагнитного
тела;
Y — удельная электрическая проводимость
ферромагнитного материала.
Формула (8-3) справедлива для сильных по-
лей [на нисходящей ветви кривой у. =/(//)].
Для слабых полей [на восходящей ветви кри-
вой у. =/(//)] в формуле (8-3) надо правую
часть умножить на 1,6.
Для стали, например, глубина проникнове-
ния электромагнитной волны при частоте 50 гц
* Обычно глубина проникновения электромагнитной
волны в тело преобразователя настолько мала по срав-
нению с радиусом кривизны поверхности преобразова-
теля, что можно говорить о распространении плоской
электромагнитной волны из пространства, окружающего
преобразователь, в его тело.
колеблется в пределах 1—2 мм, а при частоте
5 000 гц — в пределах 0,1—0,2 мм.
Таким образом, при использовании сплош-
ной стали может оказаться, что не все сечение
стали заполнено магнитными силовыми линия-
ми, и напряженность магнитного поля убывает
от поверхности в глубь тела.
Непосредственным следствием поверхностно-
го эффекта является возрастание магнитного
сопротивления магнитной цепи с ростом ча-
стоты (пропорционально |// ).
Как известно, при работе сердечника пре-
образователя в переменном магнитном поле
имеют место потери мощности в сердечнике на
гистерезис и вихревые токи. Это приводит
к тому, что переменный поток Ф преобразова-
теля отстает во времени от переменной м. д. с.
F, вследствие чего магнитное сопротивление
необходимо рассматривать как комплексную
величину: *
z-=7=s+-/'Jf-
YM=j;=gM+jbM,
RM и gM — активные составляющие магнит-
ного сопротивления и магнитной
проводимости;
и Ьм — реактивные составляющие маг-
нитного сопротивления и маг-
нитной проводимости.
Выражение для Электрического сопротивле-
ния катушки преобразователя имеет вид:
Z—R -|- ywL,
где R — сопротивление катушки постоянному
току;
и—угловая частота;
L — индуктивность катушки, которую для
удобства дальнейших выводов, опре-
делим как комплексную величину L;
У Ч’ W^I
В последнем выражении Ф — полный поток
самоиндукции.
Тогда
-7 П । • ш3 п । •
Z = R-[-jW-z-=R + ^ =
М Л» ' * л»
= /? + —(8-4)
* Понятие „комплексное магнитное сопротивление",
так же как понятие „комплексная магнитная проницае-
мость", впервые введено В. К- Аркадьевым в 1913 г.
или
Z— R -ф- w2wbM +
i
2 ri2 I v2
где гм — RM -ф- XM — квадрат модуля магнит-
ного сопротивления.
w^X
Член g— = выражает часть актив-
ам
ного электрического сопротивления катушки,
обусловленную потерями на гистерезис и вих-
ревые токи, член же у——=jrw2<s>gM выра-
жает реактивную составляющую электриче-
ского сопротивления, определяющую реактив-
ную мощность катушки.
Расчет значений RM и Хм при отсутствии
поверхностного эффекта или при слабо выражен-
ном поверхностном эффекте (когда все сечение
стали заполнено потоком, хотя убывание на-
пряженности поля в глубь тела и имеет место)
не представляет затруднений.
В этом случае RM определяется обычным
образом, как
где st и р.; — длина, сечение и магнитная
проницаемость г-го участка магнитной цепи.
Значение Хм вычисляется по формуле:
X — ?с
М Шф2 ’
где Ф — действующее значение потока;
Р — мощность потерь на гистерезис и вих-
ревые токи.
Значение Рс для данной марки стали обычно
известно для массы 1 кг, индукции Вмакс —
= 1 вб'м2 (10000 гс) и частоты f = 50 гц. Пере-
счет этой величины потерь, обозначаемой через
Р[с 10р на другие значения массы, индукции и
частоты производится по формуле:
где G — масса сердечника в кг;
^=1,2-+-1,6 (1,2 — для слабых полей;
1,6—для сильных полей).
Значительно труднее подсчитывать состав-
ляющие магнитного сопротивления при резком
проявлении поверхностного эффекта, т. е.
когда расстояние от поверхности до централь-
ных частей поперечного сечения всюду превос-
ходит величину z0 05 [см. уравнение (8-3)]. Труд-(
ность расчета усугубляется необходимостью
учитывать непостоянство магнитной проницае-
мости во времени и по сечению ферромагнит-
ного тела.
Наиболее простое и достаточно точное ре-|
шение этого вопроса дано Л. Р. Нейманом)
[Л. 54], предложившим формулу: {
__ I
<« = <0.45 +7'0,74)4,/<3.= I
г f
= 0,86-^-)/-^-е;а; (8-5) |
здесь/ — длина стального участка магнитной!
цепи; |
и — периметр этого участка; I
— магнитная проницаемость, определен-
ная из основной кривой намагничения-
при значении напряженности поля, I
равном действующему значению НЙ^ф\
напряженности магнитного поля на
поверхности стали;
ф — угловая частота;
Y — удельная проводимость стали;
О = 59°.
Формула (8-5) учитывает непостоянство
магнитной проницаемости во времени и по се-
чению ферромагнитного тела, потери на гисте-
Фиг. 8-3. Распределение f
областей слабых и силь- [
ных полей [
f
I
резне и на вихревые токи и годится для всех*
используемых на практике ферромагнитных;
материалов.
Следует отметить, что достаточно точные I
результаты формула (8-5) дает в области силь-
ных полей, понимая под этой областью значе-
ния напряженностей поля в пределах нисходя-]
щей ветви кривой магнитной проницаемости]
(фиг. 8-3).
В области слабых полей коэффициенты 0,45
и 0,74 несколько изменяются в зависимости
от напряженности поля и сорта материала.
'П. В. Новицкий предложил распространить
формулу Л. Р. Неймана и на область слабых
полей, путем замены характеристик материала
Y и pe=f(He) другими характеристиками, учи-
тывающими и непостоянство угла &.
В самом деле, если формулу Л. Р. Неймана
переписать в виде:
Р =РА и (8-5а)
М Г U М ц ’ ' 7
понимая под р =/)(//,) и е) некоторые
характеристики материала, то формулы (8-5а)
будут справедливы при любых значениях на-
пряженности поля.
Фиг. 8-4. Кривые р и х в функции от Ф/и
При данной частоте характеристики р и х
являются активной и реактивной составляю-
щими удельного поверхностного магнитного
сопротивления (единица поверхности образуется
длиной I, равной единице в направлении сило-
вых линий, и шириной и, равной единице в на-
правлении проводящего периметра).
Экспериментальное определение характери-
стик р и у следует производить на образце,
размеры которого значительно превосходят
глубину г0 05 проникновения электромагнитной
волны, т. е. в условиях резкого проявления
поверхностного эффекта.
В качестве примера, на фиг. 8-4 приведены
экспериментально полученные кривые ри/
для мягкой стали (образец испытывался в ре-
жиме синусоидального потока при /—50 гц)
в функции от у, т. е. в функции от линейной
плотности потока по периметру (что для прак-
тических расчетов более удобно, чем кривые
в функции от м. д. с.).
Таким образом, определив экспериментально
кривые ри/ для данного материала, можно
найти RM и Хм, а следовательно, найти реак-
тивную и активную составляющие электриче-
ского сопротивления катушки.
Напомним, что пользование такими харак-
теристиками материала при резком проявлении
поверхностного эффекта возможно не только
в сильных, но и в слабых полях, а также и
при других частотах, согласно соотношению
р50 У50 Vf
₽л У( ±\ Убб
\и h
§ 8-3. Чувствительность магнитоупругих
преобразователей
Чувствительность S магнитоупругого преоб-
разователя можно характеризовать выраже-
нием
„&ZIZ_____ zz
SZ
где ez = — —относительное изменение сопро-
тивления катушки;
М 4,
ez= ----относительная деформация.
Так как при постоянном модуле упругости
м
Е, -j пропорционально изменению Да механиче-
кого напряжения, то
И. И. Иванова, исследовавшая магнито-
упругие преобразователи из различных мате-
риалов, приводит следующие максимальные
значения —/о:
и /
для преобразователя из пермаллоя (45% Ni)
^/о = 9,4% l—t при Я = 0,2—;
|Л ! ’ /0 I мм2 г ’ СМ ’
для преобразователя из крупнокристалличе-
ской трансформаторной стали (4,5% Si)
^/О = 8,4% I—, при /7^2—;
£ ’ ' ° I мм2 г см ’
для преобразователя из мягкой стали
^-/б = 8,1%„ при Я=1,5—;
ц I /и I млА г ’ см ’
для преобразователя из стали, содержащей
0,7% С и 0,15% Si,
би I г 1кГ г, а
-Z- а = б% —-* при Н = 16 — .
V мм2 г см
Если поверхностный эффект выражен слабо
и если можно пренебречь сопротивлением R
катушки постоянному току и активным сопро-
тивлением катушки, обусловленным потерями
в стали на гистерезис и вихревые токи, то
7__w2 tsAi>s
и для малых А|лв имеем: ।
Д« Ьце :
» “ 2ке '
Таким образом, в наименее благоприятных}
обстоятельствах :
~ д/ — 2 ч ;
/
Следовательно, чувствительность преобра-;
зователя из сплошного материала численно не;
может быть меньше половины приведенных ;
выше значений, поэтому практически не столь
важно при конструировании магнитоупругих
преобразователей стремиться выполнить их из ;
листового материала.
§ 8-4. Погрешности магиитоупругих
преобразователей
Погрешность, обусловленная магнитоупру- •
гим гистерезисом. Эта погрешность выражает :
невоспроизводимость магнитного состояния
преобразователя при его нагрузке и разгрузке.
и С — S-
— — И о zx:----.
В тех же случаях, когда активным сопро-
тивлением катушки пренебречь нельзя, то
Др
z Р '
В случае резко выраженного поверхностного
эффекта (сопротивлением постоянному току
пренебрежем*)
(*iW2_ 6JW- _
0,86—
и ' t*e
отсюда для модуля электрического сопротив-
ления будем иметь:
Х~ ’
* Сопротивление R постоянному току у катушки
магнитоупругих преобразователей обычно не превышает
5% модуля полного сопротивления кату шкн.
Фиг. 8-5. Кривые B=f(c) пре-
образователя из переплавлен-
ной трансформаторной стали
В качестве примера, на фиг. 8-5 показаны
кривые В = /(о), полученные при испытании
преобразователя с сердечником из переплавлен-
ной трансформаторной стали (4,5% Si): кри-
вые 1-1 относятся к первому циклу нагрузки,
кривые 2-2 — к шестому циклу.
Как видно из фигуры, кривые В = f ( о) при
нагрузке и разгрузке образуют некоторую
гистерезисную петлю, не замкнутую при пер-
вом цикле и замкнутую при повторных циклах.
Расхождение значений В при первом цикле
достигает 12%; повторение циклов нагрузки и
разгрузки приводит к уменьшению этого рас-
хождения до 1%. После шестого цикла по-
грешность магнитоупругого гистерезиса даль-
ше не уменьшается.
Таким образом, уменьшить погрешность от
магнитоупругого гистерезиса можно трениров-
кой преобразователя многократной нагрузкой
и разгрузкой. Количество циклов тренировки и
эффективность тренировки в отношении умень-
шения погрешности от магнитоупругого гисте-
резиса различна.
Согласно исследованиям И. И. Ивановой,
причиной магнитоупругой погрешности являет-
ся магнитный и механический гистерезис. Наи-
меньшей магнитоупругой погрешностью будут
обладать преобразователи, у которых сердеч-
ник изготовлен из материалов, имеющих наи-
меньшие потери на гистерезис при одновремен-
но высоком пределе упругости.
Тренировку преобразователя следует произ-
водить в намагниченном состоянии нагрузкой,
равной номинальному значению измеряемой
нагрузки.
С точки зрения уменьшения погрешности от
магнитоупругого гистерезиса целесообразно
работать при напряженности поля И большей,
чем значение Н, соответствующее максималь-
ной магнитной проницаемости.
При правильном выборе материала и ре-
жима его работы и тренировки погрешность от
магнитоупругого гистерезиса может быть
уменьшена до 1—1,5%.
При проектировании магнитоупругого пре-
образователя следует учитывать, что устойчи-
вая работа преобразователя имеет место при
сравнительно небольших удельных нагрузках,
в шесть-семь раз меньших предела упругости
материала.
Следует отметить, что для ряда ферромаг-
нитных материалов наблюдается изменение
магнитных характеристик во времени; в частно-
сти магнитоупругий гистерезис с течением вре-
мени несколько уменьшается. Так как непо-
стоянство характеристик вызывает непостоян-
ство чувствительности преобразователя, то сле-
дует рекомендовать «старение» преобразова-
теля в течение нескольких месяцев после его
изготовления.
Погрешность, обусловленная колебаниями
намагничивающего тока. При изменении на-
магничивающего тока меняется как началь-
ное значение магнитной проницаемости, так и
величина магнитоупругого эффекта.
С точки зрения независимости начального
значения магнитной проницаемости от колеба-
ния напряженности магнитного поля целесо-
образно работать при напряженности поля,
соответствующей ?маКс-
С точки же зрения независимости магнито-
упругого эффекта от колебаний напряженности
поля целесообразно работать вблизи перегиба
магнитоупругой характеристики Др =/(//) при
<з = const. Однако для различных а точка пере-
гиба имеет место при различных значениях И.
Кроме того, эта точка перегиба может не со-
ответствовать значению И, соответствующему
? = ?макс-
Поэтому решение вопроса о выборе рабо-
чего значения Н (а следовательно и I) с точки
зрения независимости работы преобразователя
от колебаний Н весьма затруднительно.
При целесообразно выбранном значении
намагничивающего тока погрешность от его
колебания может быть снижена до 0,3—0,4%
на 1 % колебания напряжения U источника пи-
тания.
Если же выбор рабочего значения Н подчи-
нен другим соображениям (например увеличе-
нию чувствительности), то рассматриваемая
погрешность может достигать 1—1,5% на 1%
изменения I (или U). В подобных случаях не-
обходимо прибегать к стабилизации напряже-
ния источника питания.
Погрешность, обусловленная колебаниями
температуры преобразователя. Колебания тем-
пературы преобразователя вызывает: измене-
ние сопротивления R катушки постоянному
току, изменение начальной магнитной прони-
цаемости и изменение магнитоупругого эф-
фекта.
Изменение R мало сказывается на работе
преобразователя, так как обычно R < z.
Изменение магнитной проницаемости под
влиянием температуры может иметь как поло-
жительный, так и отрицательный знак, в зави-
симости от материала и рабочего значения на-
пряженности поля.
Значения индукции насыщения В^ и маг-
нитострикции насыщения с ростом темпе-
ратуры падают. Согласно уравнению (8-2) эти
изменения Вт и влияют на величину
с разными знаками.
Таким образом, в зависимости от выбран-
ного материала сердечника и рабочего значе-.
ния напряженности поля отдельные факторы
при колебаниях температуры могут в известной
степени компенсировать друг друга.
И. И. Иванова, исследовавшая влияние тем-
пературы на магнитоупругие преобразователи,
пришла к выводу, что наименьшую темпера-
турную погрешность на переменном токе при
резко выраженном поверхностном эффекте
имеет преобразователь, выполненный из пере-
плавленной трансформаторной стали (4,5% Si).
Преобразователи, выполненные из мягкой
стали (типа армко), имели температурную по-
грешность, достигающую 1,5% на 10° С в диа-
пазоне температур от 20 до 80° С.
Глава девятая
ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 9-1. Теоретические основы.
Типы индуктивных преобразователей
На фиг. 9-1,а изображен наиболее распро-
страненный преобразователь с малым воздуш-
ным зазором £ 3, длина которого изменяется
под действием измеряемой механической вели-
чины Р (сосредоточенной силы, давления, ли-
нейного перемещения). Вследствие изменения
На фиг. 9-1,в показан принцип устройства
индуктивного преобразователя трансформатор-
ного типа. Обмотка 1 питается от источника
переменного тока. К зажимам вторичной об-
мотки 2 приключается вольтметр или вибратор
осциллографа. При изменении воздушного за-
зора, обусловленного перемещением якоря под
действием измеряемой величины Р, изменяется
магнитное сопротивление для потока Ф, сцеп-
Фиг. 9-1. Типы индуктивных преобразователей
зазора изменяется магнитное сопротивление
магнитной цепи, а следовательно, и индуктив-
ность катушки, надетой на сердечник и вклю-
ченной в цепь переменного тока. Изменение
индуктивного сопротивления катушки ведет
к соответствующему изменению ее полного
сопротивления Z. Таким образом, возникает
функциональная зависимость между измеряе-
мой механической величиной Р и электриче-
ским сопротивлением Z преобразователя: .
Z=/(P) и 4Z=/(4P).
Другим типом индуктивных преобразова-
телей является преобразователь с разомкнутой
магнитной цепью, изображенный на фиг. 9-1,5.
Он представляет собой катушку 1, внутри
которой помещен стальной сердечник 2. Пере-
мещение сердечника, а следовательно, и изме-
нение индуктивности катушки является функ-
цией измеряемой механической величины Р.
Этот тип преобразователя особенно интересен
для измерения значительных перемещений сер-
дечника.
ленного с витками обеих катушек, а следова-
тельно, и величина потока ‘Г’ (если магнито-
движущую силу, т. е. ток I, поддерживать по-
стоянной). Таким образом, величина потока Ф
и индуктированная во вторичной обмотке
э. д. с. Е2 будут функциями длины воздушного
зазора, т. е. величины Р:
£2=!(Р)-
Полное сопротивление Z катушки любого
из этих преобразователей определяется выра-
жением:
, (9-1)
где R— сопротивление катушки постоянному
току;
w — число витков катушки;
ZM — магнитное сопротивление магнитной
цепи.
Если (в первом приближении) не учитывать
сопротивлений путей утечек потока, то ZM
можно представить состоящим из двух частей:
~ ^Мст 4" Е№.' (^’2)
где ZMcm—магнитное сопротивление стальной
части магнитной цепи;
Т?Л]5—магнитное сопротивление воздуш-
ного зазора.
Так как
где 5 — площадь поперечного сечения воздуш-
ного зазора, то полное сопротивление Z ка-
тушки
Z —
•иР
8
ZMcm +
связано с изменением длины 8 воздушного за-
зора гиперболической зависимостью (фиг. 9-2),
что при начальном зазоре 80 ограничивает прак-
тически линейный участок характеристики
значением Д8, равным 0,1—0,15§0.
Фиг. 9-2. Зависимость полного
сопротивления катушки от
длины <5 воздушного зазора
Подобная же зависимость имеет место и
между перемещением и потоком Ф, а следо-
вательно, и вторичной э. д. с. во всех преоб-
разователях трансформаторного типа.
Увеличить линейный участок характери-
стики можно путем использования дифферен-
циальных преобразователей (фиг. 9-3), обе ка-
тушки которых включены обычно в два сосед-
ние плеча моста.
При Р = 0 якорь расположен симметрично
относительно обоих сердечников (или обеих
катушек на фиг. 9-3,#), и магнитные сопротивле-
ния для потоков, создаваемых обеими катуш-
ками, одинаковы. Под воздействием измеряе-
мой величины Р оба магнитных сопротивления
изменяются одинаково, но с противоположными
знаками.
Как известно, ток 1Г (фиг. 22-1) в измери-
тельной диагонали моста может быть с изве-
стным приближением* выражен как (подробнее
см. § 22-2)
Irz=.k (Z\Z± Z2Zz),
где k—постоянный множитель, имеющий
размерность в/ом3-,
Z] и Z2— катушки преобразователя.
Так как при начальном значении измеряе-
мой неэлектрической величины мост уравнове-
Фиг. 9-3. Типы дифферен-
циальных индуктивных
преобразователей
щен (Zi=Z2) и при использовании симметрич-
ного моста Z3 = Z4, то под действием изме-
ряемой величины имеем:
1Г — k\ (ZI — Z2).
Применительно к фиг. 9-3,а функции Z. —
=fi(8), Z2=f2(B) и (Zi—Z2)=/3(8) изобра-
жены на фиг. 9-4, из которой .видно, что ли-
нейный участок характеристики преобразова-
теля значительно расширился по сравнению
с одинарным преобразователем, позволяя рабо-
чее перемещение Д8 якоря увеличить до Д8 =
= 0,3 = 0,420.
Аналогичное построение можно выполнить
и для схемы фиг. 9-3,6.
Что же касается дифференциального преоб-
разователя трансформаторного типа (фиг. 9-3,в)„
то получение разности (Z2a—Z2b) обеспечи-
вается встречным включением вторичных ка-
тушек:
Е2 = Е2а — Е2Ь = шФа^2 — “>ФЬ™2 =
= (Ф, - Ф») = =
ZMaZMb
№мь
Учитывая уравнения (9-1) и (9-2), мы видим,
что Е2 будет определяться разностью полных
сопротивлений (Za— Zb),«.что, как и в преды-
дущих случаях, приводит к расширению линей-
ного участка характеристики преобразователя.
В практике применения индуктивных пре-
образователей нашли применение почти исклю-
чительно дифференциальные преобразователи.
Объясняется это не только соображениями ли-
нейности, но и, главным образом, уменьшением
погрешности преобразователя (см. § 9-4).
Фиг. 9-4. Кривые зависимостей =
= f(«). z2=f(j) и (z1-z2) = f(d)
для обеих катушек дифференциаль-
ного индуктивного преобразователя
Одним из основных достоинств индуктивных
преобразователей является возможность полу-
чения большой мощности преобразователя (до
1—5 во), что позволяет пользоваться сравни-
тельно малочувствительными электроизмери-
тельными приборами на выходе измерительной
цепи, а при необходимости регистрировать
измеряемую переменную величину — возможно
включение на выходе цепи вибратора осцилло-
графа без предварительного усиления. В мало-
габаритных преобразователях, однако, часто
приходится прибегать к использованию усили-
теля между измерительной цепью и вибрато-
ром осциллографа.
§ 9-2. Расчет магнитной цепи
преобразователя
Расчет магнитной цепи индуктивного пре-
образователя отличается от изложенного
в § 8-2 расчета магнитной цепи магнитоупру-
гого преобразователя лишь наличием воздуш-
ного зазора и возросшим вследствие этого
влиянием проводимостей путей утечек магнит-
ного потока.
Прежде чем производить расчет магнитной
цепи необходимо составить эквивалентную ей
цепь, принимая, простоты ради, все магнитные
сопротивления отдельных участков цепи сосре-
доточенными.
Фиг. 9-5. Магнитная цепь ин-
дуктивного преобразователя
Положим, что мы имеем магнитную цепь
индуктивного преобразователя, изображенную
на фиг. 9-5. Эквивалентную ей цепь можно
изобразить согласно фиг. 9-6, где Z\\, Z12,
Z21, ^2з> ^з2> -^44—комплексные магнитные со-
противления отдельных участков стальной
Фиг. 9-7. Упрощенная эквивалентная схема
магнитной цепи
части магнитной цепи, Z34 и Z4g — переменные
магнитные сопротивления рабочих воздушных
зазоров, Уи, У22—проводимости путей утечки
магнитного потока в воздухе.
Полагая Z|2= Z2i> Z2g=^Zg2 и Z^~^ Z^^=
эквивалентную цепь можно изобразить
согласно фиг. 9-7.
Методы расчета комплексных магнитных
сопротивлений стальных участков магнитной
цепи изложены выше, в § 8-2.
Расчет магнитных проводимостей путей уте-
чек через воздух <Уц и У 22 вычисляется по
Фиг. 9-8. Кривые зависимости магнитного сопротивле-
ния зазора между двумя полюсами в функции от
отношения 8/а длины зазора к его ширине
обычным формулам, применяемым при расчете
магнитных цепей постоянного тока. *
Расчет магнитного сопротивления рабочего
зазора следует производить с учетом силовых
линий распора, а также .линий, замыкающихся
через боковые поверхности сердечника, так как
наличие этих магнитных силовых линий при-
водит к отсутствию пропорциональности меж-
ду изменением сопротивления зазора и изме-
нением длины последнего.
Л. Р-. Нейман, исследовавший этот вопрос
теоретически и экспериментально [Л. 54], при-
водит серию кривых (фиг. 9-8) магнитного со-
противления R.w зазора между двумя полю-
сами в функции от отношения 8/а длины за-
зора к его ширине при учете боковых магнит-
ных линий распора, идущих с различных по
* См., например, М. А. Бабиков, „Электрические
аппараты", Госэнергоиздат, 1951 или А. Я- Буйлов,
„Основы электроаппаратостроения" Госэнергоиздат.
высоте h' боковых поверхностей сердечника.
При этом размер полюсов в направлении, пер-
пендикулярном к плоскости чертежа, принят
равным 1 м.
Из этих кривых видно, что увеличивать 8
сверх 8 = (24-3) а не имеет смысла, так как
увеличение сопротивления зазора становится
незначительным.
При расчете магнитного сопротивления
рабочего зазора в условиях резко выраженного
поверхностного эффекта следует учитывать не-
равномерное распределение магнитных сило-
вых линий в объеме между полюсами; часть
этого объема может оказаться не заполненной
силовыми линиями (фиг. 9-9).
Фиг. 9-9. Распределение силовых
линий между полюсами при
поверхностном эффекте
Согласно исследованиям С. А. Красик,
расчет магнитного сопротивления воздушного
зазора в подобном случае (если не учитывать
линий бокового распора) можно производить
по приближенной формуле:
2Zr„ 2Zrn
•7 __ j-) 1 СП СП
^8 — 'ч “Г “з 45/?;
(9-3)
где Zs —магнитное сопротивление зазора и
торца полюса;
— магнитное сопротивление зазора,
рассчитанное без учета поверхно-
стного эффекта;
Z —магнитное сопротивление стали
вдоль торцевой поверхности от края
до середины полюса.
Значение Zcn вычисляется по формуле (8-5)
для комплексного магнитного сопротивления
стали при резко выраженном поверхностном
эффекте.
Если ~ > 0,2, то значением Zcn можно
пренебречь и рассчитывать магнитное сопро-
тивление зазора по кривым фиг. 9-8.
I Следует обратить внимание на то обстоя-
't тельство, что при резко выраженном поверх-
’ костном эффекте увеличение зазора под воз-
•! действием измеряемой величины, т. е. увели-
е чение , влечет за собой распространение
I силовых линий к центральной области полюса,
; т. е. увеличение площади зазора и замедле-
1 ние роста 7?s.
I М. М. Фетисов, исследовавший этот вопрос,
! показал, что чувствительность преобразователя
вследствие этого явления может уменьшаться
< весьма значительно (в 5—ГО раз), и рекомен-
I довал сужать поперечные размеры торца по-
t люса до величины а = 2 г0 с5 [см. уравнение
J (8-3)], независимо от толщины остальной части
J магнитной цепи, которая из конструктивных
I соображений может быть принята гораздо
большей.
3 Этот конструктивный прием может оказать-
't ся полезным и при отсутствии поверхностного
3 эффекта, поскольку при этом повышается отно-
; шение магнитного сопротивления воздушного
зазора к магнитному сопротивлению стальной
части магнитной цепи, что ведет к увеличению
i чувствительности преобразователя. Однако при
* этом возрастает влияние утечек магнитного
потока, вследствие чего уменьшается чувстви-
( тельность преобразователя. Вопрос о целесо-
j образности и степени сужения поперечных раз-
] меров полюса можно решить лишь конкретным
) расчетом.
? При изменении длины воздушного зазора,
т. е. величины Т?8, изменяются как реактив-
) ная, так и активная составляющие электриче-
I ского сопротивления Z катушки. В самом
деле, если пренебречь не зависящим от 8 со-
; противлением катушки постоянному току, то
J электрическое сопротивление катушки равно
3 (см. § 8-2):
Z = >^=^,
f или
{ Z = rc^JX =-------........g =
1 RM + J'xm +
i __
j где rc—активное сопротивление, обусловлен-
’ ное потерями в стали;
Полученная зависимость Z=/(8) в комп-
лексной плоскости (г-ф-ух), как известно,
изображается окружностью, проходящей через
начало координат (фиг. 9-10). Значению 8 = 0
соответствует
77 _____ jwufl
Значениям 8^0 соответствуют вектора Z\r
Z2 и т. д.
Из фиг. 9-10 видно, что с изменением зна-
чения 8 меняются как реактивная, так и ак-
тивная составляющие Z.
Фиг. 9-10. Кривая зависимости
Z = f (6) в комплексной плоскости
В приведенных рассуждениях мы полагади,
что магнитное сопротивление стальной части
магнитной цепи (^ + 7^) не зависит от пе-
ремещения якоря Д8. В действительности, при
перемещении якоря будет иметь место пере-
распределение м. д. с., необходимой для про-
ведения потока через зазор и стальную часть,
а следовательно, и изменение магнитной про-
ницаемости р. участков стальной части.
Однако в первом приближении, особенно
при работе индуктивных преобразователей,
в режиме заданного напряжения (Ф = const),
можно принимать магнитную проницаемость у.
стальных участков магнитной цепи не завися-
щей от изменения положения якоря относи-
тельно его начального положения (см. § 9-4).
Вопрос о выборе некоторых геометрических
размеров магнитной цепи решается с точки
зрения получения наибольшего относительного
изменения магнитной проводимости при задан-
ном изменении длины зазора. Эта задача ре-
шается путем изображения эквивалентной цепи,
показанной на фиг. 9-5, в виде цепной схемы
ряда четырехполюсников и согласования ха-
рактеристических сопротивлений четырехполюс-
ников. Этот вопрос разработан П. В. Новиц-
ким и детально рассмотрен ниже, в § 18-4—
18-7.
§ 9-3. Выбор м. д. с. и числа витков
катушки, а также частоты источника
питания
Выбор м. д. с. катушки определяется рядом
факторов, ибо от м. д. с. зависят, по крайней
мере, четыре величины, учет которых может
оказаться необходимым при проектировании
индуктивного преобразователя:
а) значение мощности, которую в первом
приближении можно принять равной реактив-
ной мощности Рг преобразователя:
Рг — шФГ,
где F— м. д. с.;
Ф — магнитный поток;
<о — круговая частота.
Если мощность измерителя задана, то мощ-
ность преобразователя должна быть в десятки-
сотни раз больше мощности измерителя (см.
§ 21-2);
б) габариты преобразователя, поскольку
ток в проволоке и число витков катушки опре-
деляют габариты катушки;
в) температура нагрева катушки, поскольку
эта температура определяется удельной поте-
рей активной мощности Р' в преобразователе,
равной
р ——
S ’
где Р — активная мощность преобразователя;
5 — поверхность охлаждения катушки.
Так как относительное изменение Дг/г
катушки, обусловленное рабочим перемеще-
нием якоря, не превосходит практически
10 — 20%, то изменение сопротивления по-
стоянному току Я катушки вследствие нагрева
должно быть минимальным, поэтому вели-
чину Р' рекомендуется ограничить значением
5—10 мет/см2-,
г) электромеханическая сила Fa притяже-
ния якоря к сердечнику, которая, как изве-
стно, равна:
ду
где Ye — проводимость воздушного зазора, рав-
ная
у -Фо .
« в ’
отсюда
(9-4)
Желательно, чтобы электромеханическая
сила Рэ была, по крайней мере, на один поря-
док меньше усилия, вызывающего измеряемое
перемещение. В противном случае работа пре-
образователя не будет устойчивой, а при изме-
рении нестационарных явлений результаты за-
писи будут несколько искажены.
В зависимости от конкретных технических
условий, значение м. д. с. определяется, исходя
из одного из перечисленных выше соображе-
ний. Чаще всего м. д. с. определяется по мощ-
ности Р,, значение которой зависит от мощно-
сти выбранного измерителя. Однако при работе
преобразователя в цепи равновесного (обычно
автоматического) моста требования к мощно-
сти перестают быть главными, и м. д. с. выби-
рается из условий максимальной чувствитель-
Д z
ности S =---.
В тех случаях, когда прибор с индуктивным
преобразователем предназначен для измерения
малых сил и давлений, и якорь преобразова-
теля выполнен в виде мембраны или закреп-
лен слабой пружиной, м. д. с. выбирается из
соображений получения малой силы притяже-
ния F3 .
Нагрев катушки собственным током редко
ограничивает выбор м. д. с., однако, рассчитав
катушку, всегда следует проверить ее на тем-
пературу перегрева.
Выбранное значение м. д. с. может быть
создано большим числом витков при малом
токе и наоборот. Вопрос о рациональном вы-
боре числа витков катушки имеет существен-
ное значение.
При решении этого вопроса будем считать
заданной (кроме м. д. с.) площадь сечения
окна катушки, определяемую в основном габа-
ритами преобразователя.
Прежде всего необходимо отметить, что ни
кажущаяся мощность, ни относительная чув-
ствительность преобразователя от числа вит-
ков не зависят. В самом деле, кажущаяся мощ-
ность преобразователя
P---.FZ,
где Z—полное сопротивление преобразова-
теля, определяемое согласно уравнениям (9-1),
(9-2) и (8-4).
Из уравнения (8-4) видно, что сопротивле-
ние, обусловленное потерями в стали, и индук-
тивное сопротивление пропорциональны квад-
рату числа витков w. Но нетрудно доказать,
что и первый член этих уравнений R (сопро-
тивление постоянному току) при заданной пло-
щади окна катушки также пропорционален w2.
Действительно, сопротивление R катушки
равно:
где Dcp—средний диаметр витков катушки;
dn— диаметр проволоки.
При заданной площади 5 окна катушки
число витков определится из выражения:
где ky — коэффициент заполнения обмотки.
Если из этого выражения определить d2n и
подставить в уравнение (9-5), то получим:
Sky
Таким образом, все три составляющие Z
пропорциональны w2, следовательно
Р = cl2w2 = cF2;
иначе говоря, кажущаяся мощность -преобра-
зователя при заданной м. д. с. от числа витков
не зависит.
Совершенно очевидно, что и относительная
чувствительность k преобразователя, равная
, AZ Z _ с
R-~ До' да ’
не зависит от числа витков, так как и AZ и Z
одинаково пропорциональны w2 (при заданной
м. д. с. и площади сечения катушки).
Решение вопроса о выборе числа витков
катушки определяется необходимостью пра-
вильно сочетать сопротивления измерителя и
, цепи, элементом которой является преобразо-
( ватель. При этом следует рассмотреть два
случая.
Измеритель весьма большого (бесконечного)
сопротивления, когда к зажимам измеритель-
ной диагонали приключен ламповый прибор
или усилитель.
В этом случае необходимо, очевидно, стре-
j миться к получению возможно большего на-
пряжения Ug на измерительной диагонали
моста, которое можно выразить как
где
где
1п — ток в преобразователе, или
Z ’
/„AZZ
Ua=-^- = UnS,
Un — напряжение на зажимах преобразова-
теля.
Напряжение Un в основном расходуется на
преодоление э. д. с. самоиндукции Е\ преоб-
разователя:
Un = Ei = одаФ.
Таким образом, в рассматриваемом случае
цепи с измерителем весьма большого (беско-
нечного) сопротивления необходимо стремиться
к Максимуму значения произведения ®Ф, а при
заданном Ф — к максимуму w.
Измеритель конечного сопротивления.
Как известно (см. § 21-3), оптимальное соот-
ношение между сопротивлением zr измерителя
и сопротивлением гц цепи относительно зажи-
мов измерителя (с точки зрения получения
измерителем наибольшей мощности) выра-
жается равенством:
zr ~ zv
Следует отметить, что кривая зависимости
чувствительности моста от отношения z^z^
имеет весьма пологий максимум. Поэтому при
подсчете оптимального числа витков можно
часто пренебречь активным сопротивлением
преобразователя и считать, что z ~ где
L — индуктивность преобразователя, что упро-
щает расчет.
Преобразователи трансформаторного ти-
па. У преобразователей трансформаторного
типа прежде всего следует позаботиться
о том, чтобы м. д. с. первичной обмотки,
а следовательно, ток Ц первичной цепи не
изменялся при перемещении якоря. Для этого
в одинарных преобразователях необходимо
включение в первичную цепь большого доба-
вочного сопротивления, а в дифференциальных
преобразователях это достигается последова-
тельным включением первичных обмоток, со-
противления которых изменяются с обратными
знаками.
Электродвижущая сила Д2 вторичной об-
мотки в этом случае будет функцией магнит-
ного сопротивления ZM цепи преобразователя
Е2 = ^11М = ш11 ,
2м
а ток /2 во вторичной цепи будет определяться
выражением:
где Z2 — полное сопротивление вторичных об-
моток при разомкнутой первичной
цепи;
ZU3JK — полное сопротивление измерителя.
Наибольшая мощность, получаемая измери-
телем, как известно, имеет место при г2 =
— гизм, что практически приводит к соотно-
шениям:
т _ Е2
И п ,2 1 Е2
H2-12Z2- ^2 4 •
Отсюда следует, что при данной Е2, т. е.
данном значении w2, сопротивление z2 вторич-
ных обмоток целесообразно' иметь возможно
меньше. С другой стороны, сопротивление пер-
вичных обмоток роли не играет. Поэтому пло-
щадь окна вторичных катушек следует сделать
в несколько раз большей, чем площадь окна
первичных катушек, выполнив намотку вторич-
ных катушек из более толстой проволоки, чем
намотку первичных катушек. Число же витков
первичной катушки сохраняется за счет умень-
шения диаметра проволоки.
При работе трансформаторного преобразо-
вателя на бесконечно большую нагрузку выра-
жение Е2 = ш®2Ф совершенно аналогично рас-
смотренному выше. В этом случае необходимо
стремиться к максимуму произведения ®2Ф,
а при заданном Ф — к максимуму ии2.
Выбор частоты источника питания. При
измерении динамических процессов частота
источника питания должна быть в 8—10 раз
больше частоты измеряемого процесса, чтобы
запись измеряемой величины производилась
без заметных искажений.
Если же частота измеряемого процесса не-
велика, то лучше питать преобразователь от
сети переменного тока частотой 50 гц, так как
при повышении частоты чувствительность при-
бора с индуктивным преобразователем в боль-
шинстве случаев уменьшается.
Лишь при работе индуктивного преобразо-
вателя в режиме заданного тока, как показала
С. А. Красик, есть смысл увеличивать частоту
до тех пор, пока не начнет сказываться влия-
ние поверхностного эффекта и междувитковой
емкости катушек. При использовании листо-
вого материала в этом случае может оказать-
ся выгодным (с точки зрения чувствительно-
сти) увеличить частоту питания до 2—3 кгц.
§ 9-4. Погрешности индуктивных
преобразователей и выбор режима
их работы
Вопрос о погрешностях индуктивных пре-
образователей детально исследован П. В. Но-
вицким; основные выводы этого исследования
и излагаются в настоящем параграфе.
Основные погрешности индуктивных пре-
образователей обусловлены колебаниями на-
пряжения и частоты источника питания, а так-
же колебаниями температуры преобразова-
теля.
Прежде всего необходимо отметить, что
при применении дифференциального преобра-
зователя в цепи равновесного моста с идеаль-
ной симметрией обеих половин преобразова-
теля погрешности, обусловленные внешними
факторами, отсутствуют. Однако идеальной
симметрии обеих половин преобразователя до-
стигнуть практически не удается, поэтому эти
погрешности и в дифференциальных преобра-
зователях имеют место.
Зависимость параметров преобразователя
от величины и частоты питающего напряжения
обусловлена нелинейностью магнитного сопро-
тивления стальной части магнитной цепи и
резко зависит от величины индукции и режима
работы преобразователя.
При работе преобразователя в цепи равно-
весного моста значение индукции в сердечнике
целесообразно выбирать соответствующим
ибо в этом случае и работа измерительной цепи
и работа преобразователя практически не зави-
сят от колебания (в достаточно широких пре-
делах) напряжения источника питания.
В случае работы преобразователя в цепи
неравновесного моста может оказаться выгод-
ным работать в сильных полях (см. фиг. 8-3)
с тем, чтобы уменьшение с ростом напряже-
ния U частично компенсировало увеличение
(пропорциональное П) тока в измерителе.
Радикальным средством уменьшения по-
грешностей от внешних факторов является уве-
личение относительной чувствительности пре-
образователя к измеряемой величине, ибо по-
грешности от внешних факторов, иначе говоря,
чувствительность преобразователя к внешним
факторам, не зависят от измеряемой величины.
Для увеличения чувствительности к изме-
ряемой величине следует максимально исполь-
зовать длину зазора, т. е. увеличивать Д8/-5
(вплоть до Д8 = 8). Ограничением в стремле-
нии увеличивать Д8/8 является соображение
нелинейности характеристики преобразователя
(см. § 9-1).
Как показал П. В. Новицкий, работа преоб-
разователя в режиме заданного напряжения
позволяет получить линейную зависимость
в весьма широких пределах увеличения Д8/8.
Положим, что дифференциальный преобра-
зователь Пр включен в цепь моста (фиг. 9-11)
и что сопротивление измерительной диагонали
значительно меньше, чем сопротивления, обра-
зующие плечи моста.* Тогда каждая половина
преобразователя будет находиться в режиме
заданного напряжения при любой величине
й зазора.
Фиг. 9-11. Цепь моста с индук-
тивными преобразователями и
катушкой взаимной индуктив-
ности в измерительной диагонали
Если при Д8 — 0 цепь была уравновешена,
то при Д8=3 через измеритель потечет ток,
равный
/Г = £/ДУ,
где ДУ—приращение электрической проводи-
мости преобразователя.
Электрическая же проводимость преобра-
зователя равна:
1 7 1
(9-7)
Приращение электрической проводимости,
равное
является линейной функцией приращения со-
противления зазора (а следовательно, и длины
зазора) в любых пределах.
Если начертить векторную диаграмму урав-
нения (9-7), которое можно изобразить как
то получим, что (фиг. 9-12) приращению про-
водимости Д/7 в комплексной плоскости соот-
ветствует вектор, параллельный мнимой оси
и сохраняющий свое направление независимо
ни от величины рабочего зазора 8, ни от ча-
стоты питающего напряжения (при изменении
о одинаково изменяются обе составляющие
проводимости). Таким образом, сдвиг фазы
тока в измерителе относительно питающего
напряжения сохраняется неизменным и равным
90° при любом значении До (т. е. измеряемой
величины). Это позволяет, в частности, в ре-
Фиг. 9-12. Векторная диаграмма
проводимостей индуктивного пре-
образователя, работающего в
режиме заданного напряжения
* Взаимная индуктивность М, назначение которой
объяснено ниже в §32-1, может быть рассчитана таким
образом, чтобы сопротивление с зажимов первичной
обмотки было достаточно малым; вторичная обмотка
должна быть при этом в режиме, близком к холостому
ходу.
жиме заданного напряжения использовать ин-
дуктивный преобразователь в автоматической
равновесной цепи, так как для уравновешива-
ния его на переменном токе достаточно одного
регулируемого элемента.
Глава десятая
ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 10-1. Теоретические основы
Емкостным преобразователем является ча-
сто плоский конденсатор, емкость которого С,
как известно, выражается формулой:
С = 4-, (10-1)
где е — диэлектрическая проницаемость среды
между обкладками;
5 — поверхность обкладки;
8 — расстояние между обкладками.
Емкостные преобразователи могут быть ис-
пользованы при измерении различных неэлек-
трических величин по четырем направлениям;
измеряемая неэлектрическая величина может
быть функционально связана либо с г, либо
с S, либо с 8, либо с диэлектрическими поте-
рями конденсатора.
На фиг. 10-1 показан принцип устройства
емкостного преобразователя прибора для изме-
рения уровня жидкости. Преобразователь пред-
ставляет собой трубку 1 из диэлектрика, сооб-
щающуюся с объектом измерения; таким
образом, в трубке устанавливается уровень,
одинаковый с измеряемым уровнем жидкости.
Фиг. 10-1. Принцип устройства
емкостного преобразователя
прибора для измерения уровня
жидкости
К трубке прилегают обкладки 2, образующие
конденсатор, емкость которого изменяется
в зависимости от измеряемого уровня.
Для каждого значения уровня емкость пре-
образователя может быть рассчитана как ем-
кость двух параллельно включенных конденса-
торов. Один конденсатор образован частью
обкладок до поверхности уровня и диэлектри-
Фиг. 10-2. Принцип устройства емкостного
преобразователя прибора для измерения
толщины ленты из диэлектрика
ком, составленным из стенок трубки 1 и жидко-
сти; другой конденсатор образован частью
обкладок над поверхностью уровня и диэлек-
триком, составленным из стенок трубки и воз-
духа. Подобный расчет, особенно с учетом
краевого эффекта, представляет значительные
трудности. Градуировку прибора с таким пре-
образователем целесообразно выполнять экспе-
риментально.
5 А. М. Туричин.
На фиг. 10-2 показан принцип устройства
ёмкостного преобразователя прибора для изме-
рения толщины ленты из диэлектрика (напри-
мер из резины). Испытуемая лента 1 протя-
гивается с помощью роликов 2 между обклад-
ками 3 конденсатора. Если длину зазора между
обкладками конденсатора обозначить через 8,
толщину ленты диэлектрика через 80, диэлек-
трическую проницаемость воздуха
а диэлектрическую проницаемость
диэлектрика через ед, то емкость
выразить как
£ —______$_____
/Й — Й0 6д \ , ’
' \ S8 +V/
через ев,
ленты из
С можно
. (Ю-2)
где 5 — площадь обкладок.
Емкостные преобразователи можно исполь-
зовать и для анализа состава вещества, по-
скольку диэлектриче-
ская проницаемость яв-
ляется функцией соста-
ва вещества. Подобные
зависимости впервые
изучены в начале XX
века русским ученым
А. Добросердовым.
Для смеси из двух
веществ, в первом при-
ближении, можно при-
нять следующее соотно-
шение (для случая от-
сутствия образования
химических соединений,
а также молекулярных
комплексов при смеше-
нии двух жидкостей):
£ = е2Г 1 -]-рЛ,
Фиг. 10-3. Принцип устрой-
ства емкостного преобра-
зователя прибора для
измерения влажности в
твердых и жидких телах
где е, и е2— диэлектрические проницаемости
компонентов 1 и 2 смеси;
pi — объемная концентрация компо-
нента 1;
а и b—постоянные.
Приведенная формула справедлива лишь
при pi 1.
Особенно широкое практическое применение
емкостные преобразователи этого типа нашли
при измерении содержания воды в твердых
и жидких телах (влажности), поскольку ди-
электрическая проницаемость воды значительно
выше, чем диэлектрическая проницаемость
остальных веществ.
На фиг. 10-3 схематически показано уст-
ройство емкостного преобразователя этого
типа. Испытуемое вещество заполняет про-
странство между двумя цилиндрическими об-
кладками 1 и 2. На стенке цилиндра сделана
отметка, до которой следует производить запол-
нение преобразователя испытуемым веществом.
Наиболее широкое распространение полу-
чили емкостные преобразователи, в которых
длина 8 зазора изменяется в зависимости от
измеряемой неэлекгрической величины (чаще
Фиг. 10-4. Принцип устройства емкостного
преобразователя с переменной длиной
зазора между обкладками
всего механической величины). Принцип уст-
ройства подобного преобразователя изображен
на фиг. 10-4. Обкладка 1 закреплена на пру-
минах и перемещается параллельно самой себе
год воздействием измеряемой силы Р (или
другой механической величины). Вторая об-
кладка 2 неподвижна.
На фиг. 10-5 показан принцип устройства
емкостного преобразователя с переменной
Фиг. 10-5. Принцип устрой-
ства емкостного преобразо-
вателя с переменной пло-
щадью обкладок
площадью S обкладок, используемого при
измерении угла поворота вала. Подвижная
обкладка 1 (в виде пластины), неподвижно
скрепленная с валом 3, перемещается относи-
тельно неподвижной обкладки 2 так, что длина
зазора между обкладками сохраняется неиз-
менной. Таким образом, изменение емкости
преобразователя зависит лишь от угла пово-I
рота подвижной обкладки.
Наконец, необходимо отметить возможность f
применения емкостных преобразователей на f
принципе измерения диэлектрических потерь I
конденсатора. ?
§ 10-2. Особенности использования
емкостных преобразователей. Линейность
характеристики, влияние температуры
и требования к измерительной цепи
Емкостный метод характеризуется тремя
особенностями, которые следует иметь в виду J
при разработке емкостных преобразователей и Е
измерительных цепей к ним. Е
стн С преобразователя от расстояния
3 зазора между пластинами*
1. , Зависимость емкости С конденсатора ;
от расстояния 8 между пластинами имеет ги- j
перболический характер, что непосредственно f
вытекает из уравнения (10-1). На фиг. 10-6 1
приведена, в качестве примера, кривая зави- (
симости С ==/(8) для плоского воздушного {
конденсатора с диаметром пластин, равным Е
10 см. Е
С другой стороны, емкостное сопротивле- [
ние хс зависит линейно от расстояния 8 между i
пластинами: ' Е
_ 1 _ 8 г
хс~- шС ~ ’ !
здесь и) — угловая частота. |
Поэтому в таких цепях, где измеряется не- [
посредственно емкость конденсатора, приходит- Е
ся рассчитывать преобразователь для работы [
на начальном участке кривой фиг. 10-6, т. е.
при малых расстояниях между пластинами, что
обеспечивает сочетание линейности харакгери-
стики преобразователя с высокой чувствитель-
ностью к изменению расстояния 8.
Однако стремление уменьшить начальное
расстояние между обкладками конденсатора
ограничено опасностью пробоя воздушного
промежутка.
Хорошие результаты в отношении увеличе-
ния чувствительности и линейности преобразо-
вателя дает использование тонкой слюдяной
В
%
Фиг. 10-7. Кривые, иллю-
стрирующие влияние
слюды в емкостных
преобразователях
пластинки, помещаемой
между обкладками кон-
денсатора. Пробивное
напряжение слюды не
меньше чем ГО3 кв/мм,
поэтому при наличии
слюдяной
можно
уменьшить
расстояние
кладками.
пластинки
значительно
начальное
между об-
Для воздушного
ками диаметром 50
Для характеристики
влияния слюды на по-
вышение чувствитель-
ности преобразователя
приводим следующие
результаты расчета,
конденсатора с обклад-
мм и расстоянием между
ними 8 = 0,2 мм, С — 830 пф, при наличии
слюдяной пластинки толщиной 0,1 мм, С —
= 1440 пф.
Если под влиянием измеряемой величины
перемещение одной обкладки относительно
другой составляет 0,025 мм, то относительное
изменение емкости 4 С/С конденсатора без
слюды составляет 14% от начальной емкости,
а при наличии слюдяной прокладки (толщиной
0,1 мм) 4С/С = 29%.
Возможность получения линейности харак-
теристики иллюстрируется следующими кри-
выми (фиг. 10-7) [Л. 34]. Кривая А характе-
ризует конденсатор, в котором отношение тол-
щины слюды к воздушному зазору является
слишком большим (слюда сжимается под воз-
действием измеряемого давления), кривая С
характеризует малое отношение этих величин.
Подбором соответствующего отношения тол-
щины слюды к воздушному зазору можно полу-
чить практически линейную характеристику В.
2. Так как емкость преобразователя зависит
от его геометрических размеров, то изменения
последних с колебаниями окружающей темпе-
ратуры! могут вызвать значительную погреш-
ность, поскольку детали преобразователя из
различных материалов имеют различные темпе-
ратурные коэффициенты расширения.
Однако правильным выбором геометриче-
ских размеров деталей преобразователя, с уче-
том их температурного коэффициента расшире-
ния, можно радикально уменьшить темпера-
турную погрешность.
Рассмотрим, в качестве примера, преобразо-
ватель, схематически показанный на фиг. 10-8.
Конденсатор образован дном 1 (мембраной)
корпуса 3 и пластиной 2, изолированной от
пробки 4, ввинчивающейся в корпус, пласти-
ной 5 из изоляционного материала.
Измеряемое давление воздействует на мем-
брану 1, благодаря чему изменяется длина
воздушного зазора между обкладками 1 и 2.
Если зазор между пластинами 1 и 2 кон-
денсатора при температуре градуировки обо-
значить через d0, то
dQ = ao — bo — gQ,
где а0, Ьо и g0— размеры, показанные на фи-
гуре, при температуре градуировки.
При изменении температуры все эти раз-
меры изменятся, так как материалы корпуса 2
и детали 4, изоляции 5 и неподвижной пла-
стины 3 имеют различные температурные
коэффициенты расширения. При изменении
температуры на 4/°C, имеем:
dt=а0 (1 4- ааМ) — bo (1 + ab М) —
— go(i+«A),
где аа, аь и ag — соответствующие темпера-
турные коэффициенты расширения.
Фиг. 10-8. К вопросу о выборе
соотношений между основными
размерами емкостного преобра-
зователя
Относительная погрешность, обусловлен-
ная изменением температуры, равна:
‘ ~ Со — dt ’
(где Ct и Сй—емкости конденсатора при тем-
пературах t и t0) или
_ (ьоай + gp«g — а0Да) М
' do + («0% — — goag) М
Этой формулой можно пользоваться для под-
счета величины погрешности.
Температурная компенсация будет иметь
место, если
aoaa — bQab — gQag — O.
Исключая из этого уравнения а0 =±= b0 + go 4~ do
(размер, который конструктивно обычно не
ограничен), получим:
(Л) + go + do) аа — b0ab — £оае = °’
или
bo(aa — ab) + go (аа— + d0aa = °’
Разделив последнее уравнение на аа, по-
лучим:
Таким образом, если задаться определен-
ным значением d0 для получения необходи-
мой начальной емкости преобразователя и
размером Ьо из конструктивных соображений,
то можно подсчитать размер g0, при котором
температурная погрешность будет отсутство-
вать.
Практически необходимо учитывать, что
значения температурных коэффициентов рас-
ширения сами в известной степени зависят
от температуры. Поэтому преобразователь
лучше конструировать таким образом, чтобы
размер g0 неподвижного электрода можно
было регулировать.
3. Емкостные преобразователи обладают
при промышленной частоте весьма малой мощ-
ностью. Обычно емкость преобразователя и
рабочее изменение емкости составляют сотни,
а иногда и десятки пикофарад. Если, напри-
мер, к емкостному преобразователю в 100 пф
приложено напряжение 50 в, частотой 50 гд,
то мощность его равна:
Р = U^C = 502.2п. 50.100 • 10 - =
= 80-IO’6 во.
Если учесть, что мощность преобразова-
теля должна быть значительно больше (по
крайней мере в десятки раз), чем мощность
измерителя, то нетрудно видеть, что послед-
ний должен обладать весьма высокой чувстви-
тельностью, т. е. в качестве измерителя мо-
жет быть использован только ламповый при-
бор.
Сопротивление преобразователя на часто-
те 50 гц будет равно:
xc = '^Cr==^314.W0.10-i2 =30 MZ0M"
Кроме того, при сопротивлении преобразо-
вателя в 30 мгом требования к изоляции изме-
рительной цепи и измерителя должны быть вы-
сокими; при сопротивлении изоляции цепи и
измерителя, сравнимом с сопротивлением пре-
образователя, токи утечки будут сравнимы
с током в преобразователе.
Поэтому емкостные преобразователи часто
применяют в цепях повышенной и высокой ча-
стоты, что сильно увеличивает мощность пре-
образователя и уменьшает его сопротивление.
Так как цепи включения емкостных преобразо-
вателей отличаются от обычных цепей, исполь-
зуемых с преобразователями других систем, то
этот вопрос мы рассмотрим в настоящей главе.
§ 10-3. Измерительные цепи приборов
с емкостными преобразователями
В настоящее время в емкостных приборах
для измерения неэлектрических величин ис-
пользуются самые разнообразные электриче-
ские цепи включения
преобразователя. Учи-
тывая главные призна-
ки и отличия этих це-
пей, представляется це-
лесообразным разде-
лить их на три группы:
1) мостовые цепи,
2) электр оимпульсные
цепи и 3) резонансные
цепи.
Каждая из перечис-
ленных групп цепей
имеет ряд разновидно-
стей. Поэтому приведен-
пульсная .измерительная
цепь прибора с емкост-
ным преобразователем
ную классификацию следует считать лишь са-
мой общей. Ниже приводится описание некото-
рых цепей и приближенный анализ их преиму-
ществ и недостатков.
Мостовые цепи включения емкостных пре-
образователей работают, как правило, на
повышенной (звуковой) частоте. Мостовые
цепи переменного тока рассматриваются во вто-
рой части книги.
Электроимпульсные цепи. Принцип дей-
ствия электроимпульсной цепи иллюстрируется
фиг. 10-9.
При коммутаторе К, повернутом вправо,
емкостный преобразователь Сх заряжается
через сопротивление 7? до напряжения, близ-
кого к U, получая при этом заряд, равный
Qi = CxU.
При повороте коммутатора К влево преоб-
разователь Сх разряжается через сопротивле-
ние R, равное зарядному, и цепь приходит
в исходное положение. Благодаря выпрями-
тельной части цепи, ток в измерителе при
заряде и разряде проходит в одном и том же
направлении.
Время заряда (и разряда) — Должно
быть по крайней мере в несколько (5 — 7) раз
больше постоянной времени tQ = RCx цепи
конденсатора (преобразователя). В этом слу-
чае
ux = U(l—e RCx)^U,
где их—разность потенциалов на обкладках
конденсатора;
е— основание натуральных логарифмов.
Поэтому выбор величины сопротивления R
определяется значением Т/2, характеризую-
щим работу коммутатора К, и пределом изме-
рения Сх.
Если время заряда и разряда одинаково и
равны 7/2, то среднее значение тока при за-
ряде и разряде, а следовательно, и среднее
значение тока в измерителе равно:
г __г ___т ____ 2Q1__ 2Схи _пр jjf
1ср—*зар— 1 разр— Т — Г —х •'>
где/—частота включения и выключения К.
(коммутатора).
Поддерживая постоянными / и U, можно,
таким образом, измерить Сх.
Преимуществом подобной цепи является
линейная зависимость тока от измеряемой
емкости.
Переключатель может быть механическим
или ламповым (при большой частоте).
Резонансные цепи. В этих цепях измеряе-
мая емкость Сх входит в какой-либо колеба-
тельный контур, работающий в условиях ре-
зонанса или близко к нему. При изменении
емкости резонанс нарушается, что приводит
к изменению собственной частоты контура,
а следовательно, к изменению других харак-
теристик цепи (в частности, анодного тока
лампы, в цепь которой включен колебатель-
ный контур).
Резонансные цепи применяются как при
постоянной, так и при переменной рабочей
частоте.
В качестве примера на фиг. 10-10 показана
резонансная цепь емкостного прибора для из-
мерения давлений.
Катушка индуктивности Lc и настроечный
конденсатор переменной емкости Сс состав-
ляют сеточный контур лампы генератора, а ка-
тушка индуктивности La и преобразователь
Сх — анодный контур лампы. Оба контура
индуктивно слабо связаны друг с другом; для
Фиг. 10-10. Резонансная измерительная цепь прибора
с емкостным преобразователем
этого катушки La и Lc расположены по одной
оси. Сеточный контур посредством конденса-
тора Сс настраивается так, чтобы при изме-
нении емкости Сх от начального значения до
конечного анодный ток изменялся по прямо-
линейному участку восходящей (или нисходя-
щей) ветви резонансной кривой.
При начальном значении измеряемой вели-
чины, т. е. при СХ=СМ, в анодной цепи бу-
дет протекать ток. Компенсировать начальное
значение анодного тока можно при помощи
компенсационной батареи Бк или соответствую-
щим ответвлением от цепи питания.
Генератор работает на самовозбуждении.
При включении питания в анодной цепи
возникает импульс тока, который, ответвив-
шись через емкость Сб в анодный контур,
индуктирует в сеточном контуре э. д. с. По-
явившееся на сетке напряжение вызовет уве-
личение анодного тока. Анодный колебатель-
ный контур при повышении анодного тока бу-
дет, в свою очередь, воздействовать на се-
точный контур, увеличивая напряжение на
сетке, что повлечет за собой увеличение анод-
ного тока, и т. д. Благодаря усилительным
свойствам лампы процесс самовозбуждения
быстро приводит лампу в режим установив-
шихся незатухающих колебаний.
При изменении Сх оба контура (настроен-
ные приблизительно в резонанс при Сх~Схй)
расстраиваются, что приводит к изменению
частоты и уменьшению амплитуды колебаний
в обоих контурах. Последнее обстоятельство
вызывает уменьшение смещения на /?4— С4,
вследствие чего изменяется постоянная со-
ставляющая анодного тока.
Фиг. 10-11. Резонансная измерительная цепь
со срывом генерации в генераторе, стаби-
лизированном кварцем
Цепи этого типа могут применяться при
включении преобразователя Сх и в сеточный
контур.
В некоторых приборах используется резо-
нансная цепь с резким срывом генерации в ге-
нераторе, стабилизированном кварцем. На
фиг. 10-11,а изображена подобная цепь [Л. 77].
Контур кварца Кв приключен к сетке. Катуш-
ка индуктивности Lc слабо связана с катушкой
индуктивности La анодного контура, образо-
ванного катушкой La, емкостным преобразо-
вателем Сх и конденсатором переменной емко-
сти Ск. Анодная батарея и измеритель (ампер-
метр) шунтированы конденсатором Сб, благо-
даря чему уменьшается сопротивление для пе-
ременной составляющей анодного тока, что
облегчает процесс генерации. Колебания в ге-
нераторе, стабилизированном кварцем, возбуж-
даются лишь в узком диапазоне изменения
частот, а следовательно, на узком участке из-
менения емкости анодного контура (острый
резонанс).
Рассмотрим, как изменяются переменная
и постоянная составляющие анодного тока
при изменении емкости конденсатора Ск
(фиг. 10-11,6). В точке 1 нет генерации коле-
баний, переменная составляющая Г” анодного
тока равна нулю, а постоянная составляющая 1~
определяется сопротивлением анодной цепи
и рабочей точкой характеристики лампы. Из-
меняя емкость Ск, можно добиться возбуж-
дения генератора. Положим, что генерация
началась в точке 2; этому значению емкости
конденсатора Ск будет соответствовать появ-
ление переменной составляющей Г" и резкое
уменьшение постоянной составляющей/- анод-
ного тока (сетка при наличии колебаний по-
лучает напряжение смещения, благодаря чему
среднее значение постоянной составляющей
анодного тока уменьшается). При дальнейшем
изменении емкости конденсатора Ск значе-
ние /” продолжает расти, а значение 1~ мед-
ленно уменьшается, пока в точке 3 генерация
прервется, благодаря чему переменная состав-
ляющая /~ анодного тока упадет до нуля,
а постоянная составляющая 1~ резко увели-
чится. Момент скачка тока нетрудно уловить
по амперметру, включенному в анодную цепь
(см. фиг. 10-11,а). Поскольку резонанс опреде-
ляется суммой емкостей Ск и Сх, то каждому
значению Сх соответствует определенное зна-
чение Ск, при котором возникает срыв гене-
рации.
Таким образом, шкала конденсатора Ск мо-
жет быть градуирована в единицах измеряе-
мой неэлектрической величины, функционально
связанной с С
В заключение необходимо отметить, что
основным недостатком емкостного метода из-
мерения является погрешность, обусловленная
паразитными емкостями, главным образом
емкостью соединительных проводов. Во многих
случаях применения данного метода эти пара-
зитные емкости сравнимы с емкостью преобра-
зователя и не являются постоянными, посколь-
ку зависят от расположения соединительных
проводов и других металлических частей уста-
новки. Поэтому вопросу экранирования соеди-
нительных проводов и правильного выбора
точки заземления измерительной цепи должно
уделяться много внимания.
Экранирование самого преобразователя от
влияния электрических полей также весьма
важно; обычно экраном является металличе-
ский корпус преобразователя.
Глава одиннадцатая
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 11-1. Основные характеристики
фотоэлементов, применяемых
в измерительной технике
Честь открытия фотоэлектрического эффек-
та принадлежит русскому ученому А. Г. Столе-
тову (1888 г.); им же формулированы и основ-
ные законы этого эффекта. В позднейших раз-
работках теории и практики использования
фотоэлементов ведущая роль принадлежит
советским ученым: П. В. Тимофееву, П. И. Лу-
кирскому, С. С. Полежаеву, С. Ю. Лукьянову,
С. А. Векшинскому, Б. Г. Коломийцу и др,
В практике электрических измерений ис-
пользуются все три типа фотоэлементов: фото-
элементы с внешним фотоэффектом, фотоэле-
менты с внутренним фотоэффектом (фото-
сопротивления) и вентильные фотоэлементы.
Для практического использования фотоэле-
ментов в измерительной технике важны сле-
дующие их характеристики:
1) световая характеристика, т. е. зависи-
мость фототока от интенсивности падающих на
фотокатод лучей. Согласно закону Столетова,
фототок прямо пропорционален интенсивности
лучистого потока (при неизменности спектраль-'"
ного состава потока); однако в ряде случаев
вторичные процессы, налагающиеся на основ-
ной фотоэлектрический эффект, вызывают от-
клонения от закона Столетова;
2) спектральная характеристика, т. е. зави-
симость фототока от длины волны падающих
лучей. Следует отметить, что применением
фотоэлемента в сочетании с соответствующим
светофильтром можно получить спектральную
характеристику, обеспечивающую наибольшую
чувствительность фотоэлемента в нужной (для
конкретной измерительной задачи) части
спектра;
3) частотная (инерционная) характеристи-
ка, т. е. зависимость фототока от частоты изме-
нения интенсивности падающего светового
потока. Внешний фотоэффект наступает прак-
тически мгновенно после начала освещения
поверхности, т. е. может приниматься «безинер-
ционным». Однако в ряде случаев вторичные
явления, имеющие место в некоторых фото-
элементах, приводят к инерционности возник-
новения фототока. Фотосопротивления и вен-
тильные фотоэлементы обладают некоторой
инерцией;
4) вольтамперная характеристика, т. е. за-
висимость фототока от напряжения (при за-
данной интенсивности лучистого потока).
Различные фотоэлементы имеют отличные друг
от друга пределы повышения напряжения,
обусловленные возникновением самостоятель-
ного разряда фотоэлемента;
5) температурная характеристика. Повыше-
ние температуры приводит к увеличению числа
наиболее быстрых электронов, энергия которых
больше работы выхода из поверхности дан-
ного металла. Это имеет следствием как уве-
личение фототока, так и изменение спектраль-
ной характеристики фотоэлемента.
Фиг. 11-1. Световые характеристики фото-
элементов при напряжении Uа — 240 в
При температурах, превышающих опреде-
ленные значения, различные для разных типов
фотоэлементов, последние резко меняют фото-
электрические свойства;
6) усталость фотоэлемента, выражающаяся
в изменении характеристик фотоэлемента в за-
висимости от времени его работы. Поэтому для
практического использования фотоэлементов
важно знать изменение световой характери-
стики фотоэлемента во времени и оптимальный
режим его работы с точки зрения возможно
более длительного сохранения характеристик
неизменными.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Фотоэлементы этого типа можно разделить на
вакуумные и газонаполненные. Наиболее рас-
пространенными типами вакуумных фотоэле-
ментов с внешним фотоэффектом являются
фотоэлементы с кислородно-цезиевым и сурь-
мяно-цезиевым катодами.
На фиг. 11-1 приведены световые харак-
теристики фотоэлементов с внешним фото-
эффектом (для номинального напряжения рав-
ного 240 в), выпускаемых нашей промышлен-
ностью: кислородно-цезиевого вакуумного (ти-
ла ЦВ), кислородно-цезиевого газонаполнен-
ного (типа ЦГ) и сурьмяно-цезиевого вакуум-
ного (типа СЦВ). Как видно из приведенных
кривых, пропорциональность между фототоком
и световым потоком сохраняется лишь в пре-
делах участков, проведенных сплошными ли-
ниями. Допустимые значения световых потоков
для промышленных типов фотоэлементов ле-
Фиг. 11-2. Приведенные вольтамперные
характеристики промышленных фотоэле-
ментов
жат в границах 10~3—10-2 лм. В этих пределах
фотоэлементы всех указанных выше типов
обладают линейной световой характеристикой.
Для расчетов приборов с фотоэлектриче-
скими преобразователями удобно пользоваться
зависимостью чувствительности фотоэлементов
(выраженной в мка/лм) от напряжения, прило-
женного к фотоэлементу, т. е. вольтамперными
характеристиками, приведенными к световому
потоку в 1 лм. На фиг. 11-2 приведены подоб-
ные кривые для промышленных типов фото-
элементов, усредненные для рабочего диапа-
зона используемых световых потоков.
Следует отметить, что приведенные на
фиг. 11-1 и 11-2 кривые характеризуют так
называемые начальные параметры фотоэле-
ментов, т. е. параметры, которыми фотоэле-
менты обладают до их утомления в процессе
работы. На фиг. 11-3 приведены! кривые умень-
шения чувствительности (утомления) фото-
элементов в функции от продолжительности
работы, из которых видно, что у кислородно-
цезиевых фотоэлементов (ЦВ и ЦГ) происхо-
дит резкое (до 70—75%) уменьшение чув-
ствительности в продолжение первых 150—
200 часов работы, после чего чувствительность
этих фотоэлементов практически стабилизи-
руется. Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы
(СЦВ) более стабильны во времени.
Наконец, необходимо заметить, что все
приведенные выше кривые характеризуют
только так называемую статическую чувстви-?
тельность S& фотоэлемента. При работе фото-
элемента на нагрузку RH следует учитывать I
динамическую чувствительность Sd, меньшую е
чем S&:
С __ 5
где R£—внутреннее сопротивление фотоэле-
мента. ;
При RH, что имеет место в большин-
стве практических случаев, Sa = S i
Спектральные характеристики вакуумных )
кислородно-цезиевых и сурьмяно-цезиевых фо- }
тоэлементов приведены на фиг. 35-19. Здесь j
укажем лишь, чгго для работы в ультрафиоле- ?
товой области спектра пригодны оба фотоэле-}
мента, особенно второй. Для работы в близкой !
к инфракрасной области спектра пригоден *
только кислородно-цезиевый фотоэлемент.
Зависимость чувствительности кислородно- i
цезиевых фотоэлементов от температуры весь-!
ма высока. Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы '
значительно более устойчивы к изменениям)
температуры; при повышении температуры до»
50° С чувствительность их практически не из-«
меняется. • j
При повышении температуры кислородно- j
цезиевых фотоэлементов, помимо изменения j
чувствительности, наблюдается также появле- j
вительиости вакуумных и газонапол-
ненных фотоэлементов во время экс-
плуатации j
t
ние заметных «темновых токов». Темновые }
токи у сурьмяно-цезиевых фотоэлементов прак- ('
тически отсутствуют. f
Вакуумные фотоэлементы работают практи- [
чески безинерционно. Вопрос об инерции газо- |
наполненных фотоэлементов имеет существен- !
ное значение при использовании их для изме- [
рения быстропеременных процессов. Опыт по- )
называет, что у газонаполненных фотоэлемен-
тов изменения фототока отстают от изменений
светового потока.
Инерция газонаполненных фотоэлементов
объясняется значительно меньшей подвижно-
стью (чем электронов) положительных ионов,
которые, наряду с фотоэлектронами, обуслов-
ливают ток фотоэлемента; перемещение этих
ионов требует некоторого времени. Отсюда
понятно, что инерция газонаполненных фото-
элементов в значительной степени зависит от
напряжения.
Несмотря на возможность получения у газо-
наполненных фотоэлементов чувствительности
примерно в пять-шесть раз большей, чем у ва-
куумных фотоэлементов, для целей измери-
тельной техники следует решительно предпо-
честь последние. Не говоря уже об инерции
газонаполненных фотоэлементов, резкая зави-
симость чувствительности от напряжения (кри-
вая ЦГ на фиг. 11-й) заставляет предъявлять
весьма высокие требования к постоянству на-
пряжения источника питания цепи, в то время
как чувствительность вакуумных фотоэлемен-
тов при напряжениях больше 50 в практиче-
ски не зависит от напряжения. Кроме того,
температурная устойчивость газонаполненных
фотоэлементов меньше, а утомляемость боль-
ше, чем у вакуумных фотоэлементов.
Фотосопротивления. Повышение проводимо-
сти фотосопротивления под воздействием лучи-
стой энергии вызывается не только первичными
электронами, освобожденными непосредствен-
но квантами лучистой энергии, но и вторич-
ными электронами, возникающими в резуль-
тате взаимодействия первичных электронов
с кристаллами полупроводника. Благодаря это-
му чувствительность фотосопротивлений значи-
тельно выше, чем чувствительность фотоэле-
ментов с внешним фотоэффектом, и достигает
в некоторых случаях нескольких миллиампер
на люмен.
На фиг. 11-4 иллюстрируется зависимость
темнового сопротивления Ro и светового сопро-
тивления Re при освещенности Е = 100 лк
в функции от напряжения, приложенного
к фотосопротивлению. Как видим, сопротивле-
ние этих фотоэлементов под воздействием света
изменяется примерно в два раза; световое со-
противление мало зависит от напряжения, что
позволяет рассчитывать ток в цепи фотосопро-
тивления, как в цепи с линейными элементами.
Селеновые фотосопротивления имеют наи-
большую чувствительность в красной области
спектра и красную границу около 0,9 мкн
(иначе говоря, лучи с длиной волны большей,
чем 0,9 мкн, не вызывают фотоэффекта). Тал-
лофидные фотосопротивления имеют наиболь-
шую чувствительность в начале инфракрасной
области спектра, а красную границу около
1,2 мкн. Сернисто-свинцовые фотосопротивле-
ния имеют наибольшую чувствительность в лу-
чах длиной волны 1,5—2,5 мкн, а сернисто-
висмутовые фотосопротивления — в видимой
части спектра.
Инерция фотосопротивлений весьма значи-
тельна. Селеновые и таллофидные фотосопро-
тивления уже при 100 гц снижают чувствитель-
ность по сравнению с
чувствительностью на
постоянном потоке при-
мерно в два-три раза.
Однако сернисто-свин-
цовые фотосопротивле-
ния сохраняют чувстви-
тельность практически
неизменной до 5000 гц.
В качестве примера
параметрюв современ-
ных миниатюрных фо-
тосопротивлений приво-
дим характеристики фо-
тосопротивления типа
ФС-А1.
Фиг. 11-4. Зависимость
сопротивлений селеново-
го фотосопротивления от
приложенного напряже-
ния
Приложенное напря-
жение V — 10 4- 12 в; темновое сопротивление
порядка 100—120 ком; изменение сопротивле-
ния при освещенности Е — 200 лк порядка
15—20% от темнового сопротивления; спек-
тральная чувствительность в лучах от 0,5 до
2,7 мкн, безинерционность — до 5000 гц.
Постоянство во времени характеристик фо-
тооопротивлений и температурная устойчивость
их значительно меньше, чем у фотоэлементов
с внешним фотоэффектом.
Вентильные фотоэлементы. Вентильные фо-
тоэлементы под действием света являются по
существу источником тока; электрическая цепь
с таким фотоэлементом не нуждается в отдель-
ном источнике тока. С этой точки зрения вен-
тильные фотоэлементы следовало бы отнести
к группе рассмотренных ниже генераторных
преобразователей. Однако из методических
соображений целесообразно рассматривать эти
фотоэлементы и их эксплуатационные харак-
теристики в настоящей главе, вместе с осталь-
ными типами фотоэлементов.
Из фотоэлементов этого типа наибольшее
распространение получили селеновые фотоэле-
менты.
Упрощенная эквивалентная электрическая
схема цепи с вентильным фотоэлементом
изображена на фиг. 11-5. Первичный фототок I,
строго пропорциональный падающему свето-
вому потоку Ф, распределяется по двум путям:
часть его /z проходит через сопротивление 7?(.
запирающего слоя, часть же 1Н проходит че-
рез внешнее сопротивление RH нагрузки.
Фиг. 11-5. Эквивалентная
электрическая схема вен-
тильного фотоэлемента
Таким образом, имеем:
I R
* н *'1
где Ф — световой поток;
k — интегральная чувствительность фото-
элемента.
, Внутреннее сопротивление Rt фотоэлемента
убывает примерно по логарифмическому за-
кону с ростом светового потока, падающего
на фотоэлемент.
Напряжение UH на нагрузке фотоэлемента
определяется как
Сопротивление Ri лежит в пределах 1-Ю3 —
— 5-104 ом. Благодаря уменьшению напря-
жение UH на нагрузке вентильных фотоэле-
ментов растет с увеличением светового потока
лишь при малых значениях последнего, а за-
тем приближается к постоянной величине.
На фиг. 11-6 показаны световые характе-
ристики селенового фотоэлемента при различ-
ных сопротивлениях нагрузки RH при малых
значениях световых потоков. Чувствительность
селеновых фотоэлементов при коротком замы-
кании их достигает 400 мка/лм (при световых
потоках до 1 лм). При больших значениях
световых потоков значительно уменьшается
внутреннее сопротивление 7?. фотоэлемента;
так при освещенности в 50 лм интегральная
чувствительность селенового фотоэлемента
уменьшается до 170 мка/лм.
Спектральная характерйстика селеновых ’
фотоэлементов довольно близка к спектраль-
ной чувствительности глаза (максимальная
чувствительность в области 0,5—0,6 мкн). При-
менением соответствующих светофильтров
можно получить весьма хорошее совпадение
спектральной чувствительности селенового фо-
тоэлемента и человеческого глаза. Таким обра-
зом, селеновый фотоэлемент со светофильтром
может объективно оценивать освещенность так
же, как ее оценивает человеческий глаз.
Селеновые фотоэлементы обладают малой
инерцией. Однако при переменном световом
потоке (особенно при включении фотоэлемента
на усилитель) необходимо учитывать собствен-
ную емкость фотоэлемента (образованную
электродами, разделенными тонким полупро-
водящим слоем), значительно большую, чем
емкость фотоэлементов с внешним фотоэффек-
том. Эту емкость следует считать включенной
параллельно внутреннему сопротивлению (за-
пирающего слоя) фотоэлемента. С увеличе-
Фиг. 11-6. Световые характеристики
селенового фотоэлемента при раз-
личных сопротивлениях нагрузки
нием частоты изменения светового потока
общее внутреннее сопротивление Z( фотоэле-
мента будет уменьшаться, что вызовет умень-
шение фототока во внешней цепи.
Чувствительность вентильных фотоэлемен-
тов во многих случаях практики позволяет
обойтись без усиления фототоков ламповыми
цепями, что является их достоинством.
В отношении устойчивости во времени вен-
тильные фотоэлементы несколько уступают
фотоэлементам с внешним фотоэффектом.
Изменение окружающей температуры ока-
зывает весьма сильное влияние на чувстви-
тельность вентильных фотоэлементов, что
обусловлено в основном изменением сопротив-
ления запирающего слоя.
В заключение отметим, что кроме селено-
вых вентильных фотоэлементов применяются
серно-таллиевые и серно-серебряные вентиль-
ные фотоэлементы. Чувствительность этих
«фотоэлементов может достигать весьма боль-
ших значений, до 8 ма/лм. Максимальная чув-
ствительность таких фотоэлементов лежит
в области значительно более длинных волн
(0,9—1,0 мкн}, чем селеновых фотоэлемен-
тов.
§ 11-2. Типы фотоэлектрических
преобразователей
Фотоэлектрические преобразователи приме-
няются для измерения различных неэлектриче-
«ских величин и чрезвычайно разнообразны
в отношении конструкции и схемы оптиче-
ского устройства, определяющего воздействие
светового потока на фотоэлемент. Однако,
в основном, фотоэлектрические преобразова-
тели можно разделить на две группы.
К первой группе относятся фотоэлектриче-
ские преобразователи, в которых фототок опре-
деляется световым потоком, зависящим, в свою
•очередь, от измеряемой неэлектрической вели-
чины.
Ко второй группе относятся фотоэлектриче-
ские преобразователи, работающие в таком ре-
жиме, когда значение фототока не является
функцией измеряемой величины, например
в случае измерения скорости вращения вала
(см. ниже, конец п. 3).
К фотоэлектрическим преобразователям
первой группы предъявляются требования не-
зависимости их характеристик во времени и от
•воздействия посторонних факторов (колебания
напряжения источников питания, температу-
ры). К преобразователям же второй группы
предъявление подобных требований, очевидно,
излишне.
Детальное рассмотрение применения фото-
электрических преобразователей приводится
в третьей части книги, в соответствующих раз-
делах, посвященных измерению той или иной
неэлектрической величины. Здесь же мы рас-
смотрим лишь основные принципы использова-
ния фотоэлементов в качестве преобразовате-
лей.
1. Источником лучистой энергии является
«объект измерения А (фиг. 11 -7,а); световой
лоток от объекта измерения направлен на фото-
элемент. В качестве примера применения по-
добной принципиальной схемы можно указать
на преобразователи фотоэлектрических и цве-
товых пирометров, где интенсивность светового
потока и спектральное распределение интенсив-
ности являются функциями измеряемой темпе-
ратуры тела.
2. Источником света (фиг. 11-7,6) является
лампа накаливания Л (или какой-либо иной
источник света); световой поток проходит на
фотоэлемент через объект измерения А, в кото-
Фиг. 11-7. Принципиальные схемы исполь-
зования фотоэлектрических преобразовате-
лей
ром частично поглощается, в зависимости от
измеряемого параметра среды объекта А.
К преобразователям, работающим по подобной
схеме, относятся, например, преобразователи
фотоэлектрических колориметров и нефело-
метров, служащих для измерения прозрачности
и мутности жидкой или газовой среды.
3. Источник света (лампа Л) посылает,
световой поток на объект измерения А
(фиг. 11-7,в); отражаясь от поверхности те-
ла А, световой поток попадает на фотоэлемент,
Отражательная способность поверхности зави-
сит от качества и состояния этой поверхности,
что, в свою очередь, может быть функцией из-
меряемой неэлектрической величины.
По подобной схеме могут работать фото-
электрические преобразователи приборов, слу-
жащих для измерения качества поверхности
(блесткость, шероховатость и т. д.). По этой
же схеме можно использовать фотоэлектриче-
ский преобразователь и как импульсное реле,
например в приборах для измерения влажно-
сти по точке росы; при температуре, соответ-
ствующей появлению росы (помутнению зер-
кала), фототок резко уменьшается. Эту же
схему можно использовать и для измерения
скорости вращения вала, если зеркальце укре-
пить на последнем. Тогда фотоэлемент полу-
чает один импульс за время одного оборота
вала, и частота фототока будет функцией ско-
рости вращения.
4. Световой поток по пути от лампы Л
к фотоэлементу (фиг. 11-7,г) встречает объект
измерения А, закрывающий часть потока,
а следовательно, изменяющий величину осве-
щенности фотоэлемента. Степень экранирова-
ния света в подобных преобразователях опре-
деляется измеряемым линейным перемещением
или измеряемыми размерами тела А. Телом А
может являться, например, нить, толщину
которой можно таким путем измерить.
Эта же схема может быть использована и
для работы фотоэлемента в режиме второй
группы, если объект измерения при своем,
перемещении закрывает световой поток, что
может быть применено, например, для счета
числа изделий, проходящих по конвейеру.
§ 11-3. Схемы включения фотоэлементов
в измерительную цепь
Непосредственное измерение фототока из-
мерителем имеет место обычно только при
использовании
Фиг. 11-8. Принципи-
альная схема включе-
ния вентильного фото-
элемента
вентильных фотоэлементов;
в подобных случаях изме-
ритель включается непос-
редственно на зажимы
фотоэлемента (фиг. 11-8).
Выбор измерителя для
вентильных фотоэлемен-
тов определяется двумя
соображениями: условием
получения линейной шка-
лы, для чего сопротивле-
ние измерителя должно
быть малым (см. § 11-1),
и в случае использования
гальванометра условием критического режима
работы измерителя, т. е. равенством сопротив-
ления фотоэлемента внешнему критическому
сопротивлению измерителя.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом,
а иногда и фотосопротивления применяются
с ламповым усилителем, так как мощность,
получаемая от фотоэлемента, недостаточна для
нормальной работы магнитоэлектрического
измерителя. Для работы с фотоэлементами
применяются усилители как постоянного, так
и переменного тока.
При использовании ламп с высоким сопро-
тивлением между сеткой и катодом, типа элек-
трометрических (ом. § 19-3), фотоэлемент-при-
ключается катодом (или анодом) непосред-
ственно к сетке лампы.
При использовании же обычных усилитель-
ных ламп в цепь сетки включается сопротив-
ление утечки Ri (фиг. 11-9). Выбор значения
сопротивления R\ определяется стремлением
получить при заданном изменении светового-
потока АФ наибольшее изменение сеточного
напряжения А//?] (где I — фототок, протекаю-
щий через сопротивление R[).
Фиг. 11-9. Принципиальная
схема включения фотоэле-
мента с усилительной лампой
Определить оптимальное значение Rt можно
графически. Положим, что вольтамперные ха-
рактеристики фотоэлемента, соответствующие
предельным значениям светового потока (Ф)
и Ф2), представляют собой кривые, изображен-,
ные на фиг. 11-10. Подобные кривые можно
построить по кривым фиг. 11-2, умножив ор-
динаты на величину потоков (Ф( и Ф2 со-
ответственно). Отложим по оси абсцисс;
(фиг. 11-10) значение U напряжения источника
Фиг. 11-10. К вопросу о выборе
сопротивления нагрузки фото-
элемента
тока, питающего цепь. Тогда, проведя из конца»:
отрезка U прямую под углом a = arctg7?w, мы|
получим точки пересечения а и b этой прямой 1
с кривыми, ординаты которых будут выражать!
значения фототока для каждого из потоков}
(Ф1 и Ф2) при данном сопротивлении R \ дру-1
гой же катет полученного прямоугольного»!
треугольника выражает непосредственно зна->
чение IRH. Таким образом, можно получить
значение
АФ
Проведя несколько подобных построений, не-
трудно найти оптимальное значение RH, если
известны вольтамперные характеристики фото-
элемента для заданных предельных значений
светового потока.
Кроме приведенных простейших цепей
включения- фотоэлементов с усилителями по-
стоянного тока существует и много других
более сложных цепей.
Приведенные цепи, так же как и ряд дру-
гих более сложных цепей усилителей постоян-
ного тока, весьма чувствительны к помехам
и нуждаются в высокой стабильности напря-
жения источников питания.
Для усиления фототоков часто используют
усилители переменного тока, так как они ме-
нее чувствительны к помехам и работа их
меньше зависит от постоянства напряжения
источников питания.
Общий прием использования усилителей
переменного тока в приборах с фотоэлектриче-
скими преобразователями сводится к получе-
нию переменного (модулированного) фототока
путем прерывания светового потока (падаю-
щего на фотоэлемент) с помощью вращаю-
щегося диска с отверстиями (см., например,
§ 35-7).
При измерении динамических процессов
следует выбирать частоту прерывания свето-
вого потока, по крайней мере, на порядок
больше частоты измеряемого процесса.
Одно из существенных преимуществ исполь-
зования усилителей переменного тока в при-
борах с фотоэлектрическими преобразователями
состоит в том, что изменение рабочей точки
ламп усилителя, обусловленное колебаниями
напряжения питания, влияет лишь на постоян-
ную составляющую анодного тока и, благодаря
реактивной (обычно емкостной) связи между
лампами, не отражается на коэффициенте уси-
ления всего усилителя.
§ 11-4. Дифференциальные
фотоэлектрические преобразователи
Выше было рассмотрено использование
лишь одного фотоэлемента в недифференциаль-
ной схеме.
Кроме погрешности, которую может при-
внести с собой усилитель фототока, значитель-
ные погрешности могут возникнуть вследствие
колебаний напряжения источника питания
фотоэлементов,’ колебаний световых потоков
источников света, а также вследствие измене-
ний характеристик фотоэлементов во времени.
Некоторые из этих погрешностей могут быть
уменьшены при использовании дифференциаль-
ных фотоэлектрических преобразователей.
На фиг. 11-11,а показан принцип устройства
дифференциального преобразователя с двумя
фотоэлементами. Свет от лампы 1 разделяется
на два пучка. Каждый из пучков света, отра-
жаясь от зеркала 2, проходит на фотоэлемен-
Фиг. 11-11. Схема устройства
и включения дифференциально-
го фотоэлектрического преоб-
разователя с двумя фотоэле-
ментами '
ты 7 и 8, Пучок света к фотоэлементу 7 прохо-
дит через линзы 4 и 5 и через клин (или диа-
фрагму с переменным отверстием) 3. Пучок
света к фотоэлементу 8 проходит через линзы 4
и 5 и через объект измерения 6. Электрическая
цепь включения обоих фотоэлементов показана
на фиг. 11-11,6. В зависимости от соотношения
световых потоков $i и Ф2, падающих на фото-
элементы 7 и 8 (а следовательно, и напряже-
ний Vx и U2), будет то или иное напряжение
на сетке усилительной лампы Ль Напряжение
на сетке лампы Л2 регулируется реостатом Rx,
служащим для установки нуля прибора. Лам-
пы Лх и Л2 работают в режиме катодных
повторителей, а измеритель включен на раз-
ность их выходных напряжений.
Описанный дифференциальный преобразо-
ватель свободен от погрешности, обусловлен-
ной колебаниями светового потока, при уело-
вии работы фотоэлемента на прямолинейном
участке световой характеристики. Погрешности,
обусловленные колебаниями напряжения источ-
ника питания фотоэлементов и изменением ха-
рактеристик фотоэлементов во времени, у при-
боров с дифференциальными фотоэлектриче-
скими преобразователями имеют место в той
же степени, что и у приборов с недифферен-
циальными преобразователями. Следует отме-
тить, однако, что нулевое показание приборов
а)
б)
Фиг. 11-12. Схема устройства и
включения дифференциального фото-
электрического преобразователя с
одним фотоэлементом
с дифференциальными фотоэлектрическими
преобразователями не зависит от колебаний
напряжения источника питания, а при идентич-
ности характеристик фотоэлементов — и от
изменения их характеристик во времени, тогда
как в приборах с недифференциальными пре-
образователями нулевое показание в случае
изменения напряжения и характеристик сме-
шается. Поэтому дифференциальные цепи,
включения фотоэлементов особенно целесо-
образно применять при нулевом методе изме- I
рения.
Для того чтобы избежать влияния непо-1
стоянства характеристик фотоэлемента во вре- I
мени на нулевое показание прибора, можно-«
использовать дифференциальный преобразова- I
тель с одним фотоэлементом (фиг. 11-12,а) -
Свет лампы 1, как и в предыдущем случае, 6
разделяется на два пучка. При помощи зер- t
кал 8 оба пучка попадают на фотоэлемент 7, i
На пути обоих пучков света помещен вращаю- J
щийся от синхронного двигателя 9 диск Iff I
с зубцами. Диск выполнен таким образом, что- J
его зубцы поочередно перекрывают то один, та i
другой световой поток, осуществляя таким. ?
путем модулирование светового потока. При ;
равенстве световых потоков освещение фотоэле- ?
мента остается постоянным; при неравенстве ?
световых потоков возникает переменная состав- Г
ляющая фототока, усиливаемая электронной j
цепью (фиг. 11-12,6). г
Можно выполнить эти приборы и на нуле- I
вом принципе измерения. Для этого каждому J
значению измеряемой величины надо найти j
такое положение клина (или диафрагмы) 5, при г
котором влияние обоих световых пучков ком- ‘
пенсируется, и измеритель в анодной цепи уси-
лительной лампы показывает нуль. Клин ff '
снабжается стрелкой, перемещающейся по i
шкале, градуированной в единицах измеряемой t
величины.
Процесс уравновешивания подобного при- -
бора можно автоматизировать, если в усили- 1
тельной цепи предусмотреть фазочувствитель-
ную ступень усиления, управляющую реле, свя- -
занным с двигателем на валу клина 3. j
Глава двенадцатая
ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 12-1. Теоретические основы
Принцип действия ионизационных преобра-
зователей сводится к следующему. Газовая сре-
да, обычно ограниченная стенками камеры
(ионизационная камера), подвергается иони-
зации под воздействием того или иного иони-
зирующего агента. Если в ионизационной ка-
мере К (фиг. 12-1) расположить электроды Э
и подвести к ним напряжение, то в камере воз-
никнет упорядоченное движение электронов
и положительных ионов ионизированного газа,
иначе говоря, в камере возникнет ионизацион- |
ный ток. Этот ток является функцией много- j
численных факторов: приложенного напряже- {
ния U, свойств ионизирующего агента, пара- [
метров газовой среды, заполняющей иониза-
ционную камеру, и параметров стенок самой
камеры.
Используя зависимость ионизационного
тока от перечисленных факторов, можно при-
менять ионизационные преобразователи в при-
борах для качественного и количественного
анализа газа, для измерения плотности газа,
геометрических размеров и других свойств
преобразователя.
Зависимость ионизационного тока I от при-
ложенного к электродам напряжения U вы-
Фиг. 12-1. Принципиальная
схема прибора с ионизацион-
ным преобразователем
ражается характерной кривой, изображенной
на фиг. 12-2.
При малых напряжениях ток растет прак-
тически пропорционально напряжению U. При
больших напряжениях ток достигает предель-
ного значения (насыщения), когда практически
все образуемые ионизатором электроны и ионы
достигают электродов.
При дальнейшем увеличении напряжения
имеет место новое резкое увеличение тока
(часть кривой, изображенная пунктиром),
обусловленное уже не действием внешнего
ионизатора (например рентгеновских лучей),
а вторичным процессом ионизации под дей-
ствием ударов быстро несущихся электронов и
ионов о нейтральные молекулы.
Для измерительных целей используется как
линейный участок, так и участок насыщения
вольтамперной характеристики.
В качестве ионизирующих агентов исполь-
зуются в основном лучи радиоактивных ве-
ществ (а-лучи, 0-лучи и у-лучи), а также рент-
геновские лучи. В некоторых случаях для
ионизации используется эмиссия положитель-
ных ионов, * а также термоэлектронная эмис-
сия.
Наиболее активным ионизатором являются
а-лучи. Так как а:лучи практически полностью
поглощаются уже весьма тонкими пластин-
ками, то использовать эти лучи в качестве
«Лучи положительных ионов получают, например,
при помощи специального разряда с „горячего” анода,
представляющего собой платиновую пластинку, покры-
тую солью исследуемого металла и нагреваемую элек-
трическим током от внешнего источника.
ионизирующего агента можно только в том
случае, если радиоактивное вещество распо-
ложено внутри ионизационной камеры.
0-лучи являются менее активным иониза-
тором, чем а-лучи; однако 0-лучи способны
проникать через тонкие пластинки. Поэтому
0-лучи применяются как при расположении
ионизатора внутри камеры, так и при распо-
ложении его вне ионизационной камеры. В по-
следнем случае используется способность этих
лучей проникать через светонепроницаемые
вещества.
у-лучи и рентгеновские лучи являются ме-
нее активными ионизаторами, чем а-лучи
и 0-лучи; однако у-лучи и рентгеновские лучи
обладают значительной способностью проникать
через светонепроницаемые вещества. Поэтому
источники у-лучей и рентгеновских лучей рас-
полагаются вне ионизаци-
онной камеры.
Конструктивные и экс-
плуатационные свойства
ионизационных преобразо-
вателей сильно зависят
от рода используемого
ионизирующего агента.
Поэтому целесообразно
различать преобразовате-
ли: а-ионизационные, 0-
ионизационные, у-иониза- фиг. 12-2. Вольтампер-
ЦИОнные И рентгено-ИОНИ- ная характеристика
зацнонные. ионизационного пре-
следует Отметить, образователя
что использование рент-
гено-ионизационных преобразователей связано
с громоздкой аппаратурой питания рентгенов-
ской трубки. Радиоактивные же вещества сами
являются источником излучений. Поэтому
основное внимание будет уделено в дальней-
шем ионизационным преобразователям, исполь-
зующим радиоактивные вещества.
Основные соотношения при использовании
а- и $-лучей. Ионизационный ток в камере
определяется несколькими процессами: иони-
зацией, т. е. числом ионов, создаваемых
ионизатором в единице объема за единицу
времени, процессом воссоединения (рекомби-
нации) ионов и процессом диффузии ионов,
обусловленной непостоянным распределением
концентрации различных ионов в испытуемом
объеме газа.
Последний процесс оказывает весьма малое
влияние на величину ионизационного тока.
Что же касается первых двух процессов, то
аналитическое выражение ионизационного
тока I, обусловленного этими процессами, по-
лученное Н. И. Штейнбоком, имеет вид:
(12-1)
где 1гЛ—ток насыщения;
Ro— сопротивление ионизационной камеры
на линейном участке вольтамперной
характеристики;
R — сопротивление ионизационной камеры,
равное Uji.
Значения Ro и определяются парамет-
рами камеры и газовой среды:
Ro — 2eS
(12-2)
I^ehSN., (12-3)
где h — расстояние между электродами;
5 — площадь электродов;
а — коэффициент воссоединения ионов
(и электронов);
Л| и k2 — подвижности положительных и отри-
цательных ионов (электронов); *
е —элементарный заряд.
Кроме того Н. И. Штейнбок установил по-
стоянство произведения
(12-4)
где
Приведенные соотношения позволяют по
конструктивным параметрам ионизационной
камеры, производительности ионизатора No
и выбранной степени насыщения R/Ro (практи-
чески значение R/Ro изменяется в пределах
от 1 до 10) определить ионизационный ток I,
а следовательно, и необходимое напряжение
U=AR.
Флуктуация ионизационного тока. Излуче-
ние радиоактивными веществами протекает
во времени неравномерно, колеблясь около
некоторого среднего значения, что при высо-
* Значения в, А2, No можно найти в соответ-
ствующих справочниках, например в „Справочнике
физика-экспериментатора” Кэй и Лэби, Изд. иностр,
лит., 1949.
кой чувствительности ионизационных приборов
ведет к колебаниям отклонения измерителя.
Относительную погрешность 3, обусловлен-
ную флуктуациями излучения, можно в первом
приближении выразить уравнением:
где п — число излучаемых а-, р- и у-частиц
в секунду;
RC — постоянная времени цепи ионизацион-
ного тока.
Таким образом, чем меньшее количество
радиоактивного вещества используется в пре-
образователе (т. е. чем меньше п), тем больше
должна быть постоянная времени RC цепи.
Однако постоянная времени связана с часто-
той измеряемого процесса и должна быть
в несколько раз меньше периода измеряемого
процесса. С другой стороны, значение R долж-
но быть выбрано достаточно большим (см.
§ 12-3).
Таким образом, выбор количества радио-
активного вещества и емкости С в цепи иони-
зационного тока тесно связан с максимально
допустимым значением погрешности 8.
Число атомов одного грамма радиоактив-
ного вещества, распадающихся с испусканием
а-, 0- и у-лучей в секунду, равно:
где 2 — постоянная распада;
Na — общее число атомов в одном грамме
вещества;
А — молекулярный вес.
Если используется р граммов радиоактив-
ного вещества, то
« = 2-;гр.
Подставив в это уравнение выражение для п
из уравнения (12-6), получим:
А 1
’ (12-7)
Для известного радиоактивного вещества
значения Na, А и 2 можно найти в соответ-
ствующих таблицах.
Полученное выражение может быть исполь-
зовано при расчете необходимого количества
радиоактивного вещества для заданных пара-
метров R и С и наоборот.
Основные соотношения при использовании
рентгеновских и у-лучей. Поглощение телами
рентгеновских и у-лучей, так же как и лучей
видимой и ультрафиолетовой части спектра
электромагнитных колебаний, подчиняется за-
кону (см. § 39-1):
h = (12-8)
где /ох — интенсивность лучей, падающих на
тело при длине волны 2;
— интенсивность лучей, прошедших че-
рез тело при длине волны 2;
х — толщина тела;
k' — коэффициент поглощения, определяе-
мый как природой, так и другими
свойствами тела (например плот-
ностью газа), а также свойствами
самих лучей.
Длина волны рентгеновских лучей зависит
от напряжения между электродами рентгенов-
ских трубок. Чем меньше напряжение между
электродами трубки, тем больше длина волны
рентгеновских лучей, излучаемых последней;
в этом случае рентгеновские лучи называются
мягкими рентгеновскими лучами. При боль-
ших напряжениях рентгеновские лучи имеют
меньшую длину волны; в этом случае их назы-
вают жесткими рентгеновскими лучами. Мяг-
кие рентгеновские лучи характеризуются боль-
шими значениями k’, чем жесткие. Такие ве-
щества, как воздух, стекло, бумага, отличаются
малыми значениями k'; наоборот, металлы
сильно поглощают рентгеновские лучи, причем,
в общем, чем больше атомный вес металла,
тем больше значение k'. Просвечиваемая тол-
щина металлов с большим атомным весом (на-
пример свинца) не превосходит нескольких
миллиметров.
у-лучи обладают проникающей способностью
в десятки раз большей, чем рентгеновские
лучи. Просвечиваемая толщина металлов у-лу-
чами достигает 10. см. При этом необходимо
отметить, что, в отличие от рентгеновских
лучей, коэффициент поглощения у-лучей мало
зависит от природы вещества; металлы, не-
зависимо от атомного веса, и дерево практи-
чески одинаково проницаемы для у-лучей.
§ 12-2. Примеры использования
ионизационных преобразователей
Выше указывалось, что ионизационный ток
камеры является функцией различных величин:
скорости движения ионов (точнее их подвиж-
ности), скорости воссоединения ионов и элек-
тронов в нейтральные молекулы газа, плотно-
сти и состава ионизируемой газовой среды, гео-
«6 А. М. Туричин.
метрических размеров и формы камеры и элек-
тродов, свойств ионизатора.
Поддерживая постоянными ряд факторов,
определяющих значение ионизационного тока,
можно выделить один переменный фактор, за-
висящий от измеряемой неэлектрической вели-
чины, с тем, чтобы ионизационный ток являлся
однозначной функцией практически только
измеряемой неэлектрической величины.
Приведем несколько примеров использова-
ния ионизационных преобразователей.
На фиг. 12-3 показана принципиальная схе-
ма устройства сдвоенного ионизационного пре-
образователя, включенного в цепь моста при-
Фиг. 12-3. Принципиальная схема
устройства дифференциального иони-
зационного преобразователя, вклю-
ченного в цепь моста прибора для
измерения плотности или давления
газа
бора для измерения плотности газа (или дав-
ления, если учитывать зависимость давления
от температуры). На одном из электродов ра-
бочей камеры и камеры сравнения нанесен тон-
кий слой радиоактивного вещества, испускаю-
щего я-лучи. Вторым электродом этих камер
является корпус камеры. Обе камеры образуют
два плеча мостовой цепи. Два других плеча
образованы сопротивлениями R.
Длина свободного пробега а- и fi-частиц
обратно пропорциональна плотности р. газа,
а ионизационный ток прямо пропорционален
плотности газа. На фиг. 12-4 показаны вольт-
амперные кривые для двух значений р; из
фигуры очевидно преимущество работы на
участке тока насыщения.
Подобный преобразователь может быть ис-
пользован и для измерения концентрации ком-
поненты газовой смеси, резко отличающейся
по молекулярному весу от остальных состав-
ляющих смеси (плотность газа пропорциональ-
на его молекулярному весу).
. На фиг. 12-5 показана принципиальная
схема устройства ионизационного преобразова-
теля прибора для измерения концентрации
газовой среды.
Через ионизационную камеру 1 протекает
исследуемый газ. Часть внутренней поверхно-
сти камеры покрыта весьма тонким слоем 2
Фиг. 12-4. Вольтамперные ха-
рактеристики ионизационного
преобразователя для двух зна-
чений р
радиоактивного препарата, непрерывно иони-
зирующего протекающий через камеру газ.
Электроды 3 изолированы от газовой камеры;
в частном случае одним из электродов может
служить и корпус камеры.
Количество ионизируемых в единицу време-
ни молекул протекающего газа, а следователь-
но, и ионизационный ток являются функцией
состава газовой среды.
Фиг. 12-5. Принципиальная схема
устройства ионизационного преобра-
зователя прибора для измерения кон-
центрации газовой среды
Описанный преобразователь может работать
как на линейном, так и на участке насыщения
вольтамперной характеристики, а -ионизацион-
ные преобразователи могут быть использованы
и для измерения прямолинейных и угловых
перемещений и величин, функционально свя-
занных с перемещениями, при условии постоян-
ства состава и плотности среды.
Примером измерения перемещений являет-
ся «-ионизационный преобразователь мано-
Фиг. 12-6. Принципи-
альная схема устрой-
ства а-ионизационного
преобразователя мано-
метра
метра (фиг.. 12-6). Электрод 1 с нанесенным j
па нем слоем радиоактивного вещества укреп-
лен на мембране, воспринимающей давление
(или разность давлений
на фиг. 12-7). При изме-
нении давления мембрана
прогибается, изменяя тем
самым расстояние между
электродами 1 и 2.
На фиг. 12-8 показаны
вольтамперные характери-
стики при двух значениях
расстояния между элек-
тродами; из фигуры оче-
видно преимущество рабо-
ты на участке насыщения.
В другой группе иони-
зационных преобразовате-
лей используется прони-
кающая способность 0- и
в особенности у -лучей.
На фиг. 12-9 показана принципиальная схе- j
ма использования ионизационного преобразо- J
Фиг. 12-7. Принципиальная схе-
ма устройства а-ионизационного
преобразователя дифференци-
ального манометра.
для измерения толщины изделия, до-
стороны, когда обыч-
вателя
ступного только с одной
ные методы измерения
не могут быть исполь-
зованы. Ионизатор 1
(ампула с радиоактив-
ным веществом) излу-
чает лучи, проникаю-
щие через стенку 2, тол-
щину которой надо из-
мерить, в ионизацион-
ную камеру 3 и ионизи-
рует в последней газ.
Одним из электродов
является корпус каме-
Фиг. 12-8. Вольтамперные
характеристики а-иовиза-
ционного манометра при
двух значениях расстоя-
ния между электродами
ры, второй электрод изолирован от корпуса.
Интенсивность излучения [см. уравнение (12-8) J,
попадающего в камеру, а следовательно, и
ионизационный ток являются функцией толщи-
ны стенки 2.
Пример использования у-ионизационных
преобразователей в приборе для измерения
уровня герметически закрытого бака иллю-
Фиг. 12-9. Принципиальная
схема использования ионизаци-
онного преобразователя для
измерения толщины изделий
стрирует фиг. 12-10. Ампула 1, заполненная
радиоактивным веществом, как поплавок дер-
жится на поверхности жидкости; стойки 2 обес-
печивают вертикальное перемещение ампулы
при изменении уровня. Ионизационная каме-
ра 3 расположена над баком. С увеличением
расстояния от ионизирующей ампулы до каме-
ры 3 ионизационный ток уменьшается.
Фиг. 12-10. Принципиальная
схема использования f-иони-
зационных преобразователей
в приборе для измерения
уровня герметически закры-
того бака
Подобные приборы для измерения уров-
ня целесообразно применять при высоких
температурах (до 2 500° С) и высоких давле-
ниях (до 5 000—7 000 ат) среды, заполняю-
щей бак, т. е. в тех случаях, когда другие ме-
тоды измерения уровня практически не при-
менимы.
Для получения эффекта ионизации в иони-
зационных преобразователях используется так-
же термоэлектронная эмиссия.
На фиг. 12-11 показана принципиальная
схема прибора с ионизационным преобразова-
телем для измерения весьма малых плотностей
газа, т. е. глубокого вакуума (от 10~3 до'
10~6 мм рт. ст.).
Преобразователь представляет собой обыч-
ную трехэлектродную лампу, баллон которой
соединен с эвакуируемым объемом. Ионизация
газа в лампе производится электронами, эмит-
тируемыми накаленным катодом. При давле-
нии порядка 1 • 10-6 мм рт. ст. и анодном на-
Фиг. 12-11. Принципиальная схема прибора
для измерения вакуума с ионизационным
преобразователем
пряжении порядка 200 в отношение тока Г*",
обусловленного перемещением ионов от сетки
к катоду, к току 1~, обусловленному эмиссией
электронов, равно:
т = = 10-4-ь 10“
Это отношение m зависит от вакуума в лампе.
Таким образом, если поддерживать постоян-
ным анодное напряжение и ток 1~ эмиссии
электронов, то ионный ток /+ может служить
мерой вакуума в лампе. Подобная лампа носит
название манометрической лампы. В схеме
фиг. 12-11,а положительный относительно ка-
тода потенциал подается на анод, на сетку по-
дается отрицательный относительно катода
потенциал; ток 1~ поддерживается постоянным
регулировкой накала катода. Ток /+, проходя-
щий через измеритель Г, будет функцией изме-
ряемого вакуума в баллоне лампы, соединен-
ной с объектом измерения.
В схеме фиг. 12-11,6 положительный отно-
сительно катода потенциал подается на сетку,
а измеритель ионного тока включается в цепь
анода, имеющего отрицательный относительно
катода потенциал. Эта схема, как показал
опыт, дает большее значение m , чем
первая схема.
Использование ионизационных преобразова-
телей для качественного и количественного ана-
лиза газов возможно также методом получения
спектра масс всех положительно заряженных
ионов исследуемой газовой смеси. Приборьи
с ионизационными преобразователями, позво-
ляющими получить спектр масс положитель-
ных ионов, называются масс-спектрометрами.
. Принцип действия подобных преобразователей
описан в § 41-1.
§ 12-3. Требования к преобразователю
и к измерительной цепи
Основным требованием к ионизационной
камере является хорошая изоляция между
электродами. Одним из электродов служит, как
правило, корпус камеры; в некоторых случаях
корпусом камеры является сам объект измере-
ния (см. например, фиг. 12-10). Второй элек-
трод обычно непосредственно соединяется
с сеткой первой лампы усилителя ионизацион-
ного тока и должен быть хорошо изолирован
от корпуса камеры при помощи втулки из
янтаря, полистирола или других высококаче-
ственных изоляционных материалов. Поверх-
ность изолятора должна быть тщательно отпо-
лирована и обезжирена.
Наиболее часто в практических условиях
возникают утечки через поверхностную лрово-
димость изоляторов, обусловленную появле-
нием пленок влаги и загрязнений. Для умень-
шения токов утечек через поверхностную про-
водимость изолятора, сравнимых с ионизацион-
ными токами, при весьма малой их величине
(порядка 10~п—10~15 а) применяется так назы-
ваемое охранное кольцо, соединяемое обычно
с заземленной точкой измерительной цепи и
отводящее на землю непостоянные по величине
токи утечки через поверхность и объем изоля-
тора. *
Конструкция камеры должна обеспечить. j
экранирование ее от электростатических помех. J
В лабораторных условиях для измерения
ионизационных токов порядка до 10-12 а можно
использовать струнные гальванометры. В усло-
виях эксплуатации прибора в промышленных
установках, как правило, применяются лампо-
вые измерительные цепи, входной лампой кото-
рых является либо электрометрическая лампа,
либо лампа «жолудь» в электрометрическом «
режиме (см. § 19-3).
На сетку входной лампы включается паде-
ние напряжения на высокоомном сопротивле-
нии, через которое протекает ионизационный
ток.
В некоторых случаях, например при вклю-
чении двух ионизационных преобразователей
в цепь моста (фиг. 12-3), напряжение на изме-
рительной диагонали моста включается на
открытую сетку входной электрометрической
лампы. j
* При измерении ионизационных токов больших,
чем 10-9 а, применение охранных колец необязательно.
Раздел второй
ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Глава тринадцатая
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 13-1. Теоретические основы. Типы
преобразователей
Индукционными называются преобразова-
тели, в которых измеряемая неэлектрическая
(механическая) величина преобразуется в ин-
дуктированную э. д. с. Согласно закону элек-
тромагнитной индукции, индуктированная
э. д. с. е определяется скоростью изменения
магнитного потока Ф» сцепленного с катушкой
из w витков:
Поэтому индукционные преобразователи
непосредственно могут применяться только
в приборах для измерения скоростй линейных
или угловых перемещений.
Примером подобного использования индук-
ционного преобразователя является преобразо-
ватель прибора для измерения скорости враще-
ния валов (тахометра), представляющий собой
небольшой генератор постоянного или перемен-
ного тока.
Для того чтобы использовать индукционный
преобразователь в приборах для измерения
абсолютных значений линейных или угловых
перемещений, в измерительной цепи прибора
необходимо предусмотреть узел цепи, интегри-
рующий э. д. с. преобразователя с тем, что-
бы напряжение на выходе интегрирующей
цепи было пропорционально перемещению
(ом. § 21-1).
Для того же чтобы использовать индук-
ционный преобразователь в приборах для изме-
рения ускорений (акселерометры), в измери-
тельной цепи прибора необходимо предусмот-
реть узел цепи, дифференцирующий э. д. с. пре-
образователя (см. § 21-1).
Фиг. 13-1. Принцип устройства
индукционных преобразовате-
лей с подвижной рамкой
В отношении принципа устройства индук-
ционные преобразователи можно подразделить
на две группы.
В преобразователях первой группы катуш-
ка / (фиг. 13-1), механически связанная с испы-
туемым объектом через вал 2, перемещается
относительно магнита, совершая либо линей-
ные перемещения (фиг. 13-1,а), либо угловые
перемещения (фиг. 13-1,6).
К этой же группе преобразователей следует
отнести и такие, в которых катушка неподвиж-
на, а перемещается магнит.
В преобразователях второй группы как ка-
тушка Л так и магнитная система остаются
неподвижными, подвижной же частью, скреп-
ленной с испытуемым валом, является коль-
цо 2 (фиг. 13-2,а) или якорь 2 (фиг. 13-2,6) из
Фиг. 13-2. Принцип устройства индукцион-
ных преобразователей с подвижным коль-
цом или сердечником из ферромагнитного
материала
ферромагнитного материала, изменяющие при
своем движении магнитное сопротивление,
а следовательно, и поток, сцепляющийся с вит-
ками катушки.
В преобразователях первой группы магнит-
ный поток не изменяется, и расчет магнитной
цепи и э. д. с. преобразователя производится
обычными приемами расчета постоянных маг-
нитов [Л. 4].
В преобразователях же второй группы не-
обходимо учитывать переменную составляю-
щую магнитного потока, обусловленную изме-
нением во времени магнитного сопротивления
потоку, а также влияние поверхностного эф-
фекта на распределение переменной состав-
ляющей магнитного потока.
Если наибольшее изменение магнитного
потока равно
дФ=Л
где F—магнитодвижущая сила магнита, a Ем
и (/?* + Д/?*)— крайние значения магнитного
сопротивления, то амплитуда и действующее
значение переменной составляющей потока
равны соответственно:
- ДФ - ДФ
Ф — — и Ф —---------
макс 2 2 2
И
_ uwF / 1 1
Е = ФИ’Ф = —-5-----р , лр
2/2 Ил, RM + *RM
Расчет магнитных сопротивлений для пе-
ременного потока рассмотрен выше, в § 9-2.
Некоторое распространение имеют также
индукционные преобразователи, в которых маг-
нитное поле возбуждается электромагнитами
(а непостоянными магнитами).
С точки зрения чувствительности преобра-
зователя, выгоднее применять катушки с боль-
шим числом витков, поскольку индуктирован-
ная э. д. с. прямо пропорциональна числу вит-
ков. Однако при стремлении увеличивать число
витков необходимо учитывать следующие два
обстоятельства.
1. Сопротивление катушки, а следователь-
но, и число витков должны находиться в изве-
стном соответствии с сопротивлением измери-
теля. Если пренебречь реактивным сопротивле-
нием катушки, что для наиболее часто приме-
няемых преобразователей первой группы впол-
не возможно, то при заданной площади окна S
катушки стремление увеличивать число вит-
ков w приводит к увеличению сопротивления
в w2 раз (см. § 9-3):
R.. = w2 = cw2,
K Sk
где D— средний диаметр катушки;
р — удельное сопротивление провода;
ky — коэффициент ' заполнения обмотки.
Условием наибольшей мощности, получае-
мой измерителем от преобразователя, который
в данном случае является генератором э. д. с.,
является равенство сопротивлений катушки
преобразователя и измерителя (см. § 18-4):
или
откуда
RK — RU3M ,
cw2=Ru^
_ । f ^изм^^у
~ \f 'r~Dcp
Таким образом, задавшись сопротивлением
измерителя, можно найти оптимальное число
витков для заданных геометрических раз-
меров катушки. Сопротивление измерителя
в большинстве случаев практики известно.
Если пренебречь реактивным сопротивле-
нием катушки нельзя, то соответственно имеем
(см. § 9-3):
= ZK — RU3U (см. § 22-2)
и
на
(13-1)
так и
с раз-
После проведения расчета числа витков не-
трудно определить диаметр проволоки и сопро-
тивление катушки, а затем необходимо прове-
рить катушку на нагрев (см. § 9-3).
2. При расчете катушки необходимо учи-
тывать реакцию поля катушки. Ток в катушке
должен быть достаточно мал, чтобы индук-
ция поля катушки, определяемая м. д. с. по-
следней, была значительно меньше индукции
постоянного магнитного поля в зазоре, обус-
ловленной постоянным магнитом.
§ 13-2. Температурная погрешность
Этот вопрос для приборов, измеряющих
механические перемещения с помощью индук-
ционных преобразователей, имеет серьезное
значение.
Рассмотрим температурную погрешность
применительно к приборам с индукционными
преобразователями, изображенными
фиг. 13-1.
Ток в измерителе равен:
.
RK ~t~RU3M
В этом выражении как числитель,
знаменатель изменяются с температурой
ными знаками. Индуктированная э. д. с. Е
с увеличением температуры уменьшается, так
как индукция постоянных магнитов с ростом
температуры падает.
Для магнитов из вольфрамовой и хроми-
стой стали изменение индукции равно пример-
но 0,3% «а 10° С (при температурах до 50—
60° С). Индукцию магнитов из никель-алюми-
ниевых сплавов можно считать практически
постоянной в пределах до 200° С.
Катушка преобразователя наматывается из
медной проволоки, следовательно, сопротивле-
ние R катушки имеет положительный темпе-
ратурный коэффициент, равный примерно 4%
на 10°С (аСц = 0,00425 1/град).
Сопротивление Ru3M измерителя имеет так-
же положительный температурный коэффи-
циент, величина которого зависит от соотно-
шения между сопротивлением рамки (из меди)
и добавочным сопротивлением (из манганина).
Значение тока Г в измерителе при повы-
шении температуры на 0 градусов (относи-
тельно температуры при градуировке) можно
я одсчитать по формуле:
Г, _ Е(1-86) ___
— Лк(1+«9) + ^(1+а19)’
(13-2)
где р — отрицательный температурный коэф-
фициент индукции магнита;
а — положительный температурный коэф-
фициент сопротивления меди;
— положительный температурный коэф-
фициент сопротивления измерителя,
равный
а — р
1 Кр + Кдоб’
(13-3)
здесь R— сопротивление рамки измерителя;
Rdo6 —добавочное сопротивление измери-
теля (манганин).
Формула (13-3) справедлива лишь для про-
стейшей внутренней схемы измерителя, когда
рамка последнего (или вибратор осциллографа)
соединена последовательно с добавочным со-
противлением. В случае более сложных внут-
ренних схем измерителя усложняется соот-
ветственно и формула для подсчета ар
Погрешность, обусловленная изменением
температуры, отрицательна и равна:
Г = ^=^Ю0%. (13-4)
Значение у тем меньше, чем меньше R
относительно RU3n и чем меньше температур-
ная погрешность самого измерителя.
Одним из радикальных средств компенса-
ции температурной погрешности является при-
менение термомагнитного шунта к магниту пре-
образователя (если его конструкция позволяет
это).
Термомагнитный шунт прикрепляется к по-
люсным наконечникам магнитной системы та-
ким образом, что он шунтирует магнитный
Фиг. 13-3. Кривая зависи-
мости индукции от темпе-
ратуры для одного из
термомагнитных сплавов
поток в воздушном зазоре (ответвляет на себя
часть общего магнитного потока). Термомаг-
нитные шунты выполняются из специальных
сплавов никеля и меди или никеля и железа,
имеющих точку Кюри при температурах от 10
до 100° С. Эти сплавы в диапазоне от —80 до
-j-80° С обладают весьма круто падающей кри-
вой B = Таким образом, с увеличением
температуры магнитный поток, ответвляющий-
ся в термомагнитный шунт, уменьшится, за
счет чего увеличится часть общего потока маг-
нита, ответвляющегося в зазор. Вследствие
этого увеличится значение Е, а следовательно,
и I.
В качестве примера, на фиг. 13-3 приведена
кривая зависимости индукции В от темпера-
туры t при напряженности поля Н — 1,26 а/см
(100 а) для одного из термомагнитных спла-
вов.
Индукционные преобразователи с постоян-
ными магнитами нашли широкое применение
в приборах для измерения и регистрации виб-
раций (виброметры) и ускорений (акселеро-
метры), а также в приборах для измерения
скорости вращения (тахометры). Как было
упомянуто выше, в виброметрах и акселеро-
метрах индукционные преобразователи необхо-
димо использовать в сочетании с интегрирую-
щими и дифференцирующими цепями.
Глава четырнадцатая
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 14-1. Теоретические основы
Явление термоэлектричества, открытое в на-
чале прошлого века русским академиком Эпи-
нусом, заключается в следующем. Если в цепи,
состоящей из двух различных проводников
(фиг. 14-1), соединенных между собой в точ-
ках 1 и 2, нагревать одну из этих точек соеди-
нения, то в цепи появится э. д. с., называемая
термоэлектродвижущей силой и являющаяся
разностью функций температур мест соедине-
ния проводников:
^АВ (/„ t2) ~f (^) f
Подобная термоэлектрическая цепь, состав-
ленная из двух проводников (термоэлектро-
дов), называется термопарой. Точкй сОедине-
ния называют рабочим и свободным концами
термопары.
Возникновение т. э. д. с. объясняется сле-
дующим образом. Работа выхода электрона из
металла отлична для разных металлов..Потен-
циал выхода, равный отношению работы выхо-
да к величине заряда электрона, также отли-
чен для различных металлов.
Если два металла с различной работой вы-
хода соприкасаются друг с другом, то электро-
ны могут переходить из металла с меньшей
работой выхода в металл с ббль-
, шей работой выхода. Последний
Фиг. 14-1,
Термоэлек-
трическая
цепь
при этом заряжается отрицатель-
но до тех. пор, пока возникающая
разность потенциалов в месте
соприкосновения двух металлов
(контактная э. д. с.) не станет
равной разности потенциалов вы-
хода обоих металлов. Контактная
э. д. с. создает электрическое по-
ле, которое будет полностью пре-
пятствовать дальнейшему перехо-
ду электронов из металла с мень-
шим потенциалом выхода к ме-
таллу с бблыпим потенциалом
выхода.
Возвращаясь к фиг. 14-1, не-
трудно видеть, что при одинако-
вых температурах точек соеди-
нения двух металлов, т. е. при Е —t2, кон-
тактные э. д. с. будут равны по величине и про-
тивоположны по знаку. Суммарная контактная
э. д. с. в такой цепи равна нулю.
Однако при fi t2 контактные э. д. с. каж-
дой из точек соединений будут различны, ибо
потенциал (и работа) выхода зависит от тем-
пературы. Суммарная контактная э. д. с. в цепи
при ti =£. t2 будет отлична от нуля. Опыт пока-
зывает, что изменение потенциала выхода
с изменением температуры крайне мало. Для
изменения потенциала выхода на 1 % необхо-
димо изменение температуры на несколько
сот градусов. Поэтому, несмотря на большие
значения потенциалов выхода, достигающих
нескольких вольт, суммарная э. д. с., возникаю-
щая в замкнутой цепи из двух разных метал-
лов (фиг. 14-1), при f] ^t2 измеряется милли-
вольтами.
Контактная э. д. с. не является единствен-
ной причиной, обусловливающей термоэлектри-
ческий эффект. Опыт показывает, что э. д. с.
возникает и в однородном проводнике, если
проводник нагреть неравномерно по его длине,
ибо при разности температур создается возмож-
ность направленного движения электронов.
Если концы проводника имеют различную
температуру, то э. д. с., возникающая в этом
проводнике, зависит лишь от значений темпе-
ратур концов и не зависит от распределения
температуры вдоль проводника.
Таким образом, учитывая оба фактора,
определяющих т. э. д. с. Е в цепи фиг. 14-1,
можно написать:
^ав (/,, /2)= ^ав (/,) “Ь ^ва (t2y
понимая под ЕЛД(/|) и ЕВАЦг) функции темпе-
ратур и t2, определяемые суммарным эф-
фектом и контактных э. д. с. и э. д. с., обу-
словленных разностью температур концов .од-
нородных проводников А и В.
। Если поддерживать температуру конца 2
(фиг. 14-1) постоянной, то /(f2) = const, и
£дв(6,6)=/^)-С=/1^)- (И-1)
Последнее выражение и положено в осно-
ву измерения температур при помощи термо-
пар. Таким образом, измерение температуоы
рассматриваемым методом сводится к измере-
нию э. д. с., которую термопара развивает при
строго постоянной температуре t2 свободного
конца.
Направление т. э. д. с. зависит лишь от
природы материалов, примененных в качестве
термоэлектродов. Условимся положительным
термоэлектродом называть тот термоэлектрод,
по направлению к которому ток идет через ра-
бочий конец термопары. Таким образом, поло-
жительным термоэлектродом на фиг. 14-1
является термоэлектрод В.
Для того чтобы измерить т. э. д. с., необхо-
димо в цепь термопары ввести электроизмери-
тельный прибор (измеритель). Последнее мож-
но выполнить либо по схеме фиг. 14-2,а, разом-
кнув свободный конец, либо по схеме
фиг. 14-2,6, включив измеритель в рассечку
одного из термоэлектродов.
Вместо одного свободного конца на
фиг. 14-1, мы имеем два свободных конца на
фиг. 14-2,а, а на фиг. 14,2,6— один свободный
конец 2 и два нейтральных конца 3 и 4.
Для того чтобы включение в термоэлектри-
ческую цепь электроизмерительного прибора
(т. е. третьего проводника) не изменяло зна-
чения т. э. д. с., необходимо, чтобы концы
присоединения прибора (2 и 2' на фиг. 14-2,а,
3 и 4 на фиг. 14-2,6) имели одинаковую темпе-
ратуру [Л. 42].
Тем же правилом решается и вопрос о спо-
собе соединения двух термоэлектродов в ра-
бочем. конце. Совершенно безразлично, как
а) б)
1
Фиг. 14-2. Включение измерителя
в термоэлектрическую цепь
произвести соединение (спайкой, сваркой
и т. п.). Неообходимо лишь соблюсти условие,
чтобы рабочие концы обоих термоэлектродов
имели одинаковую температуру.
§ 14-2. Материалы, применяемые
для термопар
Для измерения температур до 1 100° С при-
меняют, в основном, термопары из неблагород-
ных металлов, для измерения температур выше
1 100 и до 1 600° С — термопары из благород-
ных металлов платиновой группы, для изме-
рения температур выше 1 600° С — различ-
ные термопары из весьма жароупорных мате-
риалов.
Наибольший интерес из термопар последне-
го типа представляют: термопара уголь —
карбид кремния (карборунд), выдерживающая
температуру до 1 800° С и развивающая при
этой температуре т. э. д. с., равную примерно
500 мв, и термопара вольфрам — молибден
(с присадкой 1 % железа), выдерживающая
температуру до 2 100° С и развивающая при
этой температуре т. э. д. с. порядка 17 мв.
Для термопар, непосредственно в печь не
погружаемых (например для радиационных пи-
рометров), применяют также термопары из ме-
таллических термоэлектродов в паре с неметал-
лами (например: уголь, молибденит, свинцовый
блеск, теллур, кремний и т. п.). Эта категория
термопар, не отличаясь механической проч-
ностью, развивает т. э. д. с., значительно пре-
вышающие т. э. д. с. термопар из металличе-
ских термоэлектродов.
В табл. 14-1 приводим т. э. д. с., которые
развивают термопары из различных термоэлек-
тродов в паре с платиной при температуре ра-
бочего конца ti = 100° С и температуре свобод-
ных концов t2 = 0° С.
Состав сплавов: хромель—90%Ni-f- 10%Сг;
алюмель — 1 %Si+2%Al-f-0,17%Fe-f-2%Mn+
+N1 (остальное); копель — 56,5 % Си -f- 43.5NL
Приведенные в таблице цифры не вполне
точны, поскольку т. э. д. с. в значительной сте-
пени зависит от малейших примесей. Кроме
того, на величину т. э. д. с. оказывает влияние
механическая обработка термоэлектродов (на-
клеп) и термическая обработка (закалка,
отжиг).
Таблица 14-1
Материал т. э. д. с., мв Материал Т. э. д. с., мв
Кремний . . . -|- 44,8 Свинец . . . + 0,44
Сурьма .... + 4,7 Олово .... + 0,42
Хромель . . . + 2,4 Магний . . . + 0,42
Нихром . . . + 2,2 Алюминий . . + 0,40
Железо . . . Сплав 90% Pt 4- + 1,8 Уголь .... Графит . . . + 0,30 + 0,32
+10% Ir . . + 1,3 Ртуть .... + 0,00
Молибден . . 4-1,2 Палладий . . — 0,57
Кадмий .... --0,9 Никель . . . — 1,5
Вольфрам . . --0,8 Алюмель . . — 1,7
Манганин . . --0,76 Сплав 60% Au
Медь --0,76 + 30% Pd +
Золото .... --0,75 + 10% Pt . . — 2,31
Серебро . . . --0,72 Константан . — 3,4
Цинк --0,75 Копель . . . — 3,6
Иридий .... --0,65 Висмут | оси — 5,2
Родий .... Сплав 90% Pt+ + 0,64 Висмут || оси . Пирит .... — 7,7 — 12,1
+10% Rh . . -J- о , 64 Молибден . . от — 69 до- — 104
При конструировании термопар естествен-
но стремиться сочетать термоэлектроды, раз-
вивающие: один наиболее положительную,
а другой наиболее отрицательную т. э. д. с.
с платиной.
Относительно практического использования
термоэлектродов, приведенных в табл. 14-1,
можно сделать следующие замечания.
Некоторые из приведенных термоэлектро-
дов, вследствие своей легкоплавкости, не при-
годны для непосредственного погружения в из-
меряемую среду. Таковы, например, сурьма,
кадмий, цинк, олово, магний и висмут.
Такие материалы, как вольфрам, молибден,
принципиально могут служить для измерения
весьма высоких температур (до 3 000° С), одна-
ко при высоких температурах они легко окис-
ляются, а потому не получили сколько-нибудь
широкого применения в пирометрии.
Чистый иридий и родий для изготовления
термопар не применяются, так как значительно
лучше применять сплавы этих металлов с пла-
тиной.
Наибольшее распространение в практике
получили термопары: платинородий — платина,
хромель —алюмель, хромель — копель, медь —
копель, медь — константан. Более подробные
характеристики различных термопар даны
в § 34-4.
§ 14-3. Погрешность, обусловленная
изменением температуры свободных
концов термопары
Градуировка термопар осуществляется при
температуре свободных концов, равной нулю.
При практическом использовании термоэлек-
трического пирометра, как правило, термостати-
ровать свободные концы в тающем льду не
удается, и температура их отлична от нуля, что
вызывает погрешность измерения. Однако сле-
дует стремиться термостатировать свободные
концы таким образом, чтобы температура их
либо сохранялась постоянной во времени, либо
изменялась возможно медленнее при измене-
ниях окружающей температуры. В этом случае
облегчается возможность введения поправок на
температуру свободных концов.
Термостатирование осуществляется либо
погружением свободных концов на достаточную
глубину в землю, что обеспечивает постоянство
температуры в течение года, либо помещением
их в массивную литую коробку с теплоизоля-
цией. В последнем случае, часто в той же ко-
робке помещается термометр, измеряющий
температуру в коробке со свободными концами.
Следует отметить, что для термостатирова-
ния свободных концов иногда применяют сосу-
ды Дьюара, а также термостаты с электриче-
ским нагревом и с автоматическим регулирова-
нием температуры на заданное значение.
Если температура свободных концов из-
вестна, то введение соответствующей поправки
к показаниям термоэлектрического пирометра
возможно осуществить следующим образом.
Пусть мы имеем градуировочную кривую
термопары E=f(t), изображенную на фиг. 14-3.
Градуировка термопары производилась при
температуре /о = О°С. Положим, что термо-
парой нужно измерить температуру t при тем-
пературе свободных концов tQ, большей, чем t0.
Очевидно, что т. э. д. с. термопары в этом слу-
чае будет меньше той, которая имела бы
место при той же температуре t рабочего
конца, но при температуре свободных кон-
цов tQ. Отсчет по прибору t' будет, таким об-
разом, меньший, чем t. При этом, естествен-
но, что Е , =Е . Нафиг. 14-3 это обсто-
(Vo’
ятельство выражено одинаковыми значения-
ми ДЕ, соответствующими разностям темпе-
ратур (if0 —10) и (t — t'). Отсюда получаем:
Elf . =E(i t. — E, . (14-2)
U Д о) U, to) (/' t tQ) ' '
Если прибор имеет двойную шкалу: в гра-
дусах температуры и в милливольтах, то
ввести поправку на температуру свободных
Фиг. 14-3. К вопросу о введении
поправки на температуру свобод-
ных концов термопары
концов, согласно уравнению (14-2), не пред-
ставляет затруднений. Сложнее обстоит дело
в том случае, когда прибор имеет только j
шкалу в градусах температуры.
Из фиг. 14-3 видно, что
(*о~ to)tga = (t — t') tg а',
откуда поправка (I — t’) равна:
ga
ИЛИ
(14-3)
если участки градуировочной кривой между t0 j
и t’Q, а также между f и t, считать прямыми, |
что практически для интервала температур j
в 50—100° С возможно для подавляющего |
большинства термопар.
В частном случае, когда /о = О, выражение
(14-3) принимает вид:
t-t' = t'0K.
Само собой разумеется, что коэффициент К,
называемый поправочным коэффициентом на
температуру свободных концов, является функ-
цией от t и, следовательно, для каждого участ-
ка кривой будет различным. Практически
градуировочную кривую разделяют на участки
по 100° С и для каждого участка определяют
значение К, которым и можно пользоваться для
.введения поправок на температуру свободных
концов, если известна их температура (/q).
Для грубых подсчетов можно принять
К = 0,8 -г 1,0 для термопар из неблагородных
металлов и Д'= 0,5 4- 0,6 для термопар из бла-
городных металлов.
Следует отметить, что в некоторых случаях
значение Д может быть больше единицы [если
кривая E = f(t) на фиг. 14-3 обращена выпук-
лостью вверх].
Существует ряд методов автоматической
компенсации влияния температуры свободных
концов. Некоторые из них будут описаны
•в •§ 34-4.
Удлинительные термоэлектроды. Чтобы обе-
спечить постоянную температуру свободных
концов и облегчить термостатирование их, же-
лательно отвести их подальше от зоны высо-
кой температуры.
Так как термопара обычно помещается
в жесткую защитную (от химического воздей-
ствия испытуемой среды и от механических по-
вреждений) арматуру, то приходится надстав-
лять ее гибкими термоэлектродами с надлежа-
щей изоляцией, присоединяя эти удлинительные
термоэлектроды с одной стороны к коробке
зажимов термопары, а с другой стороны —
к проводам, идущим к милливольтметру. Эти
удлинительные термоэлектроды в литературе
часто называют «компенсационными» провода-
ми (следует отметить, что название это неудач-
но, ибо эти термоэлектроды ничего не компен-
сируют) .
В случае применения термопар из благород-
ных металлов, пользоваться удлинительными
термоэлектродами из тех же металлов крайне
невыгодно. В этом случае удлинительные тер-
моэлектроды применяют из более дешевых ма-
териалов, причем последние должны удовлетво-
рять условию термоэлектрической идентичности
с основной термопарой в диапазоне возможных
температур свободных концов (примерно в диа-
пазоне от 0 до 100°С). Иначе говоря, удлини-
тельные термоэлектроды в указанном интервале
температур должны иметь такую же характе-
ристику Е = /(4, 0рС), как и основная термо-
пара. При этом совершенно необходимо, чтобы
оба конца основной термопары, соединяемые
с удлинительными термоэлектродами, имели
одну и ту же температуру.
Покажем, что при выполнении обоих этих
условий т. э. д. с. цепи при введении удлини-
тельных термоэлектродов не изменится.
Фиг. 14-4. Термоэлектрическая цепь
с удлинительными термоэлектро-
дами
На фиг. 14-4 показана термоэлектрическая
цепь термопары АВ с удлинительными термо-
электродами С и D. Термоэлектродвижущая
сила этой цепи равна:
£ — Еав (Zi) -ф Евс -ф- Ecd (ta) 4- Eda (14-4)
Из условия равенства т. э. д. с. термо-
пар АВ и DC при одинаковых температурах
соответствующих концов этих термопар в диа-
пазоне температур от t0 до t2 имеем:
^dc (/2) ^cd (/„)—^вано' (14-5)
Прибавим к правой части уравнения (14-4)
(z2)> в сУмме равные нулю. Тогда
уравнение (14-4) перепишется в виде:
Е — Едв (/,) + Евс -ф- ECD (/г) Eda -ф-
edc -ф- ecd
(14-6)
Но
Евсц,) ~\~ECD(t^ ~]-EDA{tA т=ЕВАца (14-7)-
(поскольку при одной и той же температуре
сумма т. э. д. с. в замкнутой цепи равна
нулю).
Заменив в уравнении (14-6) последние два
члена соответственно уравнению (14-5) и учи-
тывая уравнение (14-7), получим:
Е=ЕАВ (/,) ЕВА (/2) “Ь ^ав </2) Н- ЕВА ы-
Так как
Ева (t a +Еав О,
то окончательно имеем:
E—EABVi) ~\~Ева (/о). (14-8)
Таким образом, уравнение (14-4) для цепи
с удлинительными термоэлектродами совер-
шенно идентично уравнению (14-8) для цепи
без удлинительных термоэлектродов при усло-
вии термоэлектрической идентичности, выра-
женном уравнением (14-5), и при условии ра-
венства температур t2 точек соединения свобод-
ных концов термопары с удлинительными тер-
моэлектродами.
§ 14-4. Погрешность, обусловленная
изменением температуры линии, термопары
и измерителя
Прибор, состоящий из термопары и милли-
вольтметра для измерения т. э. д. с.-, носит на-
звание термоэлектрического пирометра.
Часто т. э. д. с. измеряют при помощи ком-
пенсаторов (малоомных, на предел измерения
до 100 мв) как с ручным, так и с автоматиче-
ским уравновешиванием.
В тех случаях, когда т. э. д. с. измеряется
компенсатором, сопротивление цепи т. э. д. с.,
как известно, роли не играет. В тех же случаях,
когда т. э. д. с. измеряется милливольтметром,
может возникнуть погрешность, обусловленная
колебаниями температуры всех элементов, со-
ставляющих цепь т. э. д. с.
В самом деле, ток I в измерителе (милли-
вольтметре) равен:
1 =______....
^г+
где Е—т. э. д. с., развиваемая термопа-
рой;
Rr, Rn, RT—сопротивления: милливольтметра,
проводов (включая удлинительные
термоэлектроды) и термопары.
Милливольтметр измеряет напряжение на
своих зажимах, равное:
рр
Из этого выражения непосредственно сле-|
дует необходимость стремиться к возможно'
меньшему значению сопротивления проводов
и самой термопары.
В отечественных термоэлектрических пиро-
метрах при их градуировке учитывается со-
противление внешней относительно милли-
вольтметра цепи (Rr-\-Rn), равное 5 ом. Ре-
гулировка сопротивления этой внешней цепи;
осуществляется при помощи добаврчной ка-
тушки из манганина, называемой уравнитель-
ной катушкой, непосредственно при монтаже
прибора.
Если сопротивление термопары в процессе
эксплуатации изменяется (термоэлектродьь
становятся тоньше) или если изменится со-
противление линии и милливольтметра вслед-
стие колебаний температуры окружающей'
среды, то будет иметь место погрешность из-
мерения.
Так как сопротивление милливольтметра,
как правило, не меньше 200 — 250 ом, т. е.
в 40 — 50 раз больше сопротивления внешней,
относительно милливольтметра цепи (Rn~\~
-|-/?г), то погрешностью, обусловленной изме-
нением температуры среды, является, в ос-
новном, температурная погрешность милли-
вольтметра. Последняя же, как известно^
определяется соотношением сопротивления,’
рамки Rp (из меди) и добавочного сопротив-|
ления Rgo6 (из манганина). Таким образом^
температурная погрешность у практически^
равна: |
VD ~ -доб
I
где Ор — температурный коэффициент прово-|
локи, из которой намотана рамка; I
t—температура среды; j
t0 — температура градуировки. I
Если сопротивление милливольтметра не
удается выполнить достаточно большим, то1
к вычисленной, согласно последнему выраже-
нию, погрешности надо добавить погрешность,’
обусловленную изменением сопротивления ли--
нии, которую можно вычислить как
„ ___ “Си ~ fo)
1л— Rni.Rr
100%,
где аСи—температурный коэффициент меди.
Погрешность, обусловленная изменением?
сопротивления термопары, как правило, весь-?
ма мала.
Глава пятнадцатая
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 15-1. Теоретические основы
Различают прямой и обратный пьезоэлек-
трические эффекты. i
Прямой пьезоэлектрический эффект состоит
в появлении электрических зарядов на поверх-
ности некоторых кристаллических диэлектри-
ков и электрической поляризации внутри них
под влиянием механических напряжений или
деформаций. При исчезновении напряжений
диэлектрик снова приходит в ненаэлектризо-
ванное состояние.
В настоящее время известно много тел,
кристаллы которых обладают пьезоэлектриче-
скими свойствами. А. В. Шубниковым открыты
Фиг. 15-1. Кри-
сталл кварца
пьезоэлектрические свойства
также у дерева. Им же полу-
чены пьезоэлектрические тек-
стуры, т. е. кристаллические
агрегаты с ориентированными
кристаллами, обладающими
пьезоэлектрическими свойства-
ми [Л. 91].
Наиболее сильно пьезоэлек-
трический эффект выражен
у сегнетоэлектриков. Под сег-
нетоэлектриками понимают не-
которые кристаллические веще-
ства, обладающие аномально
высокой диэлектрической проницаемостью и
аномально сильным пьезоэлектрическим эффек-
том. Типичным сегнетоэлектриком, нашедшим
широкое применение, является сегнетова соль.
В последнее время в измерительной техни-
ке находят применение такие сегнетоэлектрики,
как титанат бария и фосфат аммония.
Ведущая роль в разработке современной
теории сегнетоэлектричества принадлежит рус-
ским ученым, в первую очередь И. В. Курча-
тову и его школе.
Наибольшее применение для измерительных
целей нашел кварц, у которого пьезоэлектриче-
ские свойства сочетаются с высокой механиче-
ской прочностью и высокими изоляционными
качествами, а также независимостью пьезо-
электрической характеристики от температуры
в широких пределах.
Как известно, кварц (двуокись кремния
S1O2) кристаллизуется в гексагональной систе-
ме (фиг. 15-1), причем элементарной структур-
ной клеткой является призма.
В кристаллах кварца различают следующие
главные оси (фиг. 15-2): продольная ось Z — Z
носит название оптической оси; оси X — X, про-
ходящие через ребра шестигранной призмы
нормально к оптической оси, — электрические
оси; оси У — У, нормальные к граням, — ней-
тральные или механические оси.
Если из кристалла кварца вырезать парал-
лелепипед таким образом, чтобы его грани
были параллельны электрической, оптической
и механической осям, то под влиянием сил,
действующих перпендикулярно оптической оси,
yi FV
Злектрическа
ось
Х'~‘
Продольпый
пьезоэффект
~х
Поперечный
пьезоэффект
У
Фиг. 15-2. Оси симметрии кристалла кварца
кристалл электризуется, причем вектор поля-
ризации будет направлен вдоль электрической
оси; иначе говоря, заряды появятся на
плоскостях, перпендикулярных электрической
оси.
При действии силы Fz, направленной вдоль
оптической оси, электризации кварца наблю-
даться не будет.
Электризацию кристалла кварца под влия-
нием механических напряжений можно весьма
упрощенно пояснить следующим образом.
Представим схематически расположение ато-
мов в элементарной ячейке кристаллической
решетки так, как это показано на фиг. 15-3.
Здесь каждому положительному иону Si со-
ответствуют в смежной плоскости отрицатель-
ные ионы О2. Линии, соединяющие противо-
положные заряды, являются электрическими
осями Е\, Е2 и Е3.
Если кристаллическую решетку деформиро-
вать путем сжатия по одной из электрических
осей, например Ei, то электрическое равнове-
сие нарушается, положительный ион Si и свя-
занный с ним отрицательный ион О2 сдвинутся
внутрь, и плоскости А и В, расположенные пер-
пендикулярно оси Ei, попадут под действие
Фиг. 15-3. Принцип электризации
кварца под влиянием механиче-
ских напряжений
суммарных электрических зарядов, принадле-
жащих ближайшим ионам Si и О2; в результа-
те плоскость А окажется заряженной положи-
тельно, а плоскость В — отрицательно.
Общая теория пьезоэлектричества исходит
из предположения о существовании линейных
зависимостей между компонентами вектора
интенсивности поляризации и компонентами
тензора механических деформаций. Математи-
ческая обработка общего случая пьезоэффекта
при любой деформации кварца дана в работе
А. В. Шубникова [Л. 90 и 91].
Нас будут интересовать частные случаи,
когда силы действуют на кварц в направлении
оси X (электрической) и оси У (механической);
при этом предполагается, что параллелепипед
из кварца вырезан таким образом, что ребра
его а, Ь, с (фиг. 15-2) параллельны главным
осям X, У, Z.
Если на параллелепипед действует одно-
родная растягивающая сила Fx вдоль оси X,
то, согласно общей теории, вектор поляриза-
ции будет направлен по оси X; направление
вектора поляризации для даннного случая
принимается положительным. При этом ин-
тенсивность поляризации П пропорциональна
деформации (или, в пределах упругих дефор-
маций, давлению):
n = kpx — k^, (15-1)
где рх, Fx—давление и сила, действующие |
на площадь грани Ьс\ }
—площадь грани be, J
k—постоянный коэффициент, назы-
ваемый пьезоэлектрической по-j
стоянкой или пьезоэлектрическим}
модулем. I
Тогда заряд, возникающий на каждой из]
граней, перпендикулярных электрической оси X, {
согласно определению интенсивности поляри-|
зации равен: 1
q = nSx (15-2) [
или j
q = kFx. (15-3)|
Уравнение (15-3) показывает, что величина за-1
рядов, возникающих на гранях Ьс, при действии |
силы, направленной вдоль электрической оси, 1
не зависит от геометрических размеров кри-
сталла.
Заряды, возникающие на гранях Ьс при
сжатии кварца силой, направленной вдоль:
электрической оси, будут иметь противополож-
ные знаки по сравнению с зарядами, возникаю-1
щими на них при растяжении. ]
Пьезоэффект,.имеющий место при действии]
силы вдоль электрической оси, носит название j
продольного пьезоэффекта. ' j
Если сила, действующая на кварц, направ-
лена вдоль механической оси У, то заряды сно-
ва возникают только на гранях Ьс, перпенди-
кулярных электрической оси, однако направле-
ние вектора поляризации будет отрицательным, j
Соотношение (15-1) между интенсивностью
поляризации и давлением вдоль оси У прини-
мает вид:
-Л = -Ар (15-4)
у
Отсюда, согласно уравнению (15-2), получаем:
-q = -nSx = -kFy^=-kF^c,
или
^ = ~kFy^ (15’5>
где пьезоэлектрическая постоянная k имеет то
же численное значение, что и в уравне-
нии (45-1).
Уравнение (15-5) показывает, что при дей-
ствии на кварц силы, направленной вдоль ме-
ханической оси, заряды, возникающие на гра-
нях, перпендикулярных электрической оси,
зависят от геометрических размеров кристалла.
Этим обстоятельством изредка пользуются при
желании увеличить чувствительность пьезо-
электрического преобразователя, увеличивая
ь
отношение „ •
Знак минус в уравнениях (15-4) и (15-5)
показывает, что при растягивающих силах
вдоль оси У вектор поляризации (а следова-
тельно, и знаки зарядов) будет иметь противо-
положное направление по сравнению со слу-
чаем, когда растягивающее усилие было
направлено вдоль оси X. И в данном случае,
при перемене знака силы, изменяются знаки
зарядов на гранях, перпендикулярных электри-
ческой оси.
Пьезоэффект, возникающий под действием
силы, направленной вдоль механической оси,
носит название поперечного пьезоэффекта.
Фиг. 15-4. Устройство пьезоэлектрического
преобразователя
На фиг. 15-4 изображено устройство пьезо-
электрического преобразователя с двумя квар-
цевыми пластинами. Измеряемое давление дей-
ствует на мембрану 1, представляющую собой
дно корпуса преобразователя. Кварцевые пла-
стины 2 зажаты между металлическими про-
кладками 3. Средняя прокладка соединена
с выводом 4, проходящим через втулку 5 из
изоляционного материала. Крышка 6 соединяет-
ся с корпусом и через шар 7 передает давле-
ние пластинам, благодаря чему измеряемое
давление распределяется по поверхности квар-
цевых пластин более равномерно. Кварцевые
пластины обычно расположены таким образом,
что в цепь прибора подается отрицательный
потенциал. Положительные заряды через кор-
пус отводятся на землю.
В заключение приведем несколько цифр,
характеризующих физические свойства кварца,
интересные с точки зрения применения его для
измерительных целей.
Значение пьезоэлектрической постоянной k
кварца равно
6 = 2,1- IO”11 к/кГ.
Диэлектрическая проницаемость кварца
в 4,5 раза больше диэлектрической проницае-
мости воздуха.
Модуль упругости Е кварца равен: для
плавленого кварца — 6 • 105 кГ1см\ для кри-
сталлов кварца в направлении, перпендику-
лярном оптической оси, — 7,9 • 105 кГ/см2.
Допустимое механическое напряжение для
кварцевых пластин зависит от качества шли-
фовки рабочих поверхностей и может достигать
700—1 000 кГ!см2.
Коэффициент теплового расширения плав-
леного кварца равен 5,7 • 10г~7, кристаллическо-
го (перпендикулярно оптической оси) —
1,37- IO-5.
Удельное сопротивление кварца в значи-
тельной степени зависит от температуры. Вдоль
оптической оси удельное сопротивление гораз-
до меньше, чем поперек ее. В табл. 15-1 приве-
дены цифры удельного сопротивления р мо-
нокристалла кварца при различных темпера-
турах.
Таблица 15 I
Температура, °C Р ом-сма
см
параллельно оптической осн перпендикулярно оптической оси
20 100 200 300 0,1-10“ 0,8-10 2 70-108 60-10е 20-1015
Пьезоэлектрическая постоянная k практи-
чески не зависит от температуры в пределах
примерно до 500° С. При температурах выше
500° С пьезоэлектрическая постоянная кварца
быстро уменьшается и при температуре 573° С
кварц теряет пьезоэлектрические свойства.
Наибольшей пьезоэлектрической чувстви-
тельностью обладает сегнетова соль (6
^3' 10-9 к/кГ}. Однако сильная гигроскопич-
ность, малая механическая прочность и низ-
кое значение удельного электрического сопро-
тивления ограничивают применение сегнетовой
соли лишь для измерения быстропеременных
сил и давлений при малой влажности среды
и при комнатной температуре.
В последнее время широкое применение
в измерительной технике находит титанат ба-
рия. Пьезоэлектрическая постоянная его равна
примерно 1,2 -1(Г9 к/кГ, т. е. в 50—60 раз боль-
ше, чем у кварца. Диэлектрическая проницае-
мость е титаната бария равна примёрно 1 000,
т. е. в 250 раз выше, чем у кварца. Пьезоэлек-
трическая постоянная k титаната бария мало
зависит от температуры в пределах 0—80° С.
Титанат бария приобретает пьезоэлектриче-
ские свойства только после его поляризации
высоким напряжением (7,5—8 кв) в течение
примерно трех часов.
§ 15-2. Требования к измерительной цепи
Из рассмотренной в предыдущем параграфе
элементарной теории пьезоэффекта следует, что
последний относится к явлениям электростати-
ческого характера. Количество электричества,
возникающее на гранях кварца в момент при-
ложения силы, сохраняется при отсутствии
утечки заряда во все время ее действия и
исчезает в момент прекращения действия силы.
Это количество электричества заряжает
грани кварца и соединенные с ними проводни-
ки до напряжения U, определяемого как
U = q/C, где С — емкость между проводника-
ми (включая емкость кварца).
Для измерения этого напряжения необхо-
димо применять такие методы и приборы, ко-
торые не расходовали бы возникающих на
пьезоэлектрике зарядов. Полностью решить эту
задачу принципиально невозможно; однако
утечку зарядов с пьезоэлектрика через изме-
рительную цепь и измеритель можно довести
до достаточно малой величины, не выходящей
за пределы требуемой точности измерения
силы.
Следует отметить, что изменение зарядов
на пьезоэлектрике может происходить также
за счет воздействия посторонних электриче-
ских полей. Это воздействие практически пол-
ностью устраняется применением электростати-
ческого экрана для преобразователя, соедини-
тельных проводов и отдельных элементов цепи.
Основной трудностью при измерении пьезо-
эффекта остается утечка заряда с пьезоэлек-
трика.
На фиг. 15-5 изображена принципиальная
схема пьезоэлектрического прибора для изме-
рения сил. Через электрод Э заряженные отри-
цательным зарядом грани соединяются с изме-
рителем Г.
Емкость Со между' зарядонесущей частью
преобразователя и землей слагается из:
а) емкости между гранями пьезоэлектрика,
б) емкости соединительного провода отно-
сительно земли,
в) входной емкости измерителя.
Сопротивление Ro изоляции зарядонесущей
части преобразователя относительно земли сла-
гается из;
а) поверхностного и объемного сопротивле-
ния пьезоэлектрика.
б) сопротивления изоляции соединительно-
го провода,
в) входного сопротивления измерителя.
Фиг. 15-5. Принципиальная схема
пьезоэлектрического прибора
Как известно, изменение разности потенциа-
лов U между зарядонесущей частью и землей
во времени можно выразить как
KjC“=zUQe R‘c°
(15-6)
где q0 и Ug — заряд и разность потенциалов,
возникшие на преобразователе
в момент приложения к нему
нагрузки;
•с — время, протекшее с момента
приложения нагрузки;
Разложив е Л“с’ в степеннбй ряд и отбра-
сывая члены выше первой степени, получим:
Задаваясь допустимым уменьшением потенциа-
ла в заданный интервал времени и емкостью С9
прибора, можно по выражению (15-7) опреде-
лить необходимое сопротивление изоляции.
В зависимости от характера измеряемого
динамического процесса, допустимое уменьше-
ние потенциала в единицу времени может быть
различным. Однако, если учесть обычно при-
меняемый статический метод градуировки при-
бора, то можно считать нормальным требова-
ние ограничения уменьшения измеряемого по-
тенциала величиной 1% в минуту.
Если, например, емкость всего прибора от-
носительно земли Со = 100 пкф (емкость С»
определяется пределом измерения прибора,
о чем речь будет ниже), то это требование мо-
жет быть удовлетворено при
~ 1 г = —0,99) 100-10-12 = 6'1013 ом•
Как видно из приведенного примера, требо-
вания к изоляции зарядонесущей части отно-
сительно земли весьма высоки.
Рассмотрим в отдельности каждую из со-
ставляющих сопротивления Ro применительно
к кварцу.
Удельное сопротивление кварца в направ-
лении электрической оси при комнатной темпе-
ратуре равно примерно 20 • 1015 ом • см2/см.
При применяемых обычно размерах кварцевых
пластин сопротивление их можно оценить циф-
рой ЙО15—1016 ом. Значительно хуже обстоит
дело с поверхностным сопротивлением кварца,
которое, как правило, ниже этой цифры и
вследствие гигроскопичности кварца сильно
зависит от влажности окружающего простран-
ства.
Вследствие этого боковые поверхности квар-
цевых пластин рекомендуется тщательно шли-
фовать, а кварц тщательно промывать спиртом
и просушивать, после чего не прикасаться
к нему руками. Ряд выпущенных пьезокварце-
вых приборов для измерения сил предусмат-
ривает, кроме того, применение осушителя
в камере, где помещается пьезокварцевый
кристалл.
Большое значение имеет хорошая изоляция
выводной втулки преобразователя и других де-
талей, изолирующих зарядонесущую часть от-
носительно земли. Наилучшими материалами
для изолирующих деталей, удовлетворяющими
условию применения их в пьезоэлектрических
приборах, являются янтарь (полированный) и
полистирол. •
Наконец, третьей составляющей сопротив-
ления изоляции является входное сопротивле-
ние измерителя.
С точки зрения достаточной чувствительно-
сти и возможности получения необходимой
изоляции, в качестве измерителей пьезоэлек-
трических приборов вполне удовлетворительны
струнные электрометры и специальные квад-
рантные электрометры. Однако подобные из-
мерители можно применять только в лабора-
торных условиях, при отсутствии тряски.
Кроме того, эти измерители допускают лишь
визуальный отсчет и обладают низкой собствен-
ной частотой колебаний. Для практических це-
лей измерения и записи, особенно быстропере-
менных механических процессов, эти измерите-
ли совершенно неприменимы.
В настоящее время для измерения пьезо-
электрических зарядов применяются почти
исключительно ламповые усилители постоянно-
го тока на электрометрических лампах в соче-
тании с магнитоэлектрическим прибором или
вибратором (или с катодным осциллографом),
описанные в § L9—3.
Так как напряжение, подаваемое на вход
усилителя, не превышает нескольких вольт,
а напряжение на пьезоэлектрическом преобра-
зователе вследствие его малой емкости до-
стигает десятков и сотен вольт, то параллельно
преобразователю включается конденсатор,
емкость которого определяется зарядом пре-
образователя и требуемым напряжением на
входе усилителя и выбирается обычно в десят-
ки и сотни раз больше собственной емкости Со
цепи кварца. Это приводит к уменьшению ве-
личины получаемого напряжения до 2—3 в и
одновременно к значительному повышению
постоянной времени, что позволяет несколько
снизить требования к изоляции цепи. Само
собой разумеется, что включаемая емкость
должна обладать малой утечкой (Ro =
— 1014—1016 ом). Поэтому применяют конден-
саторы с воздушной или слюдяной изоляцией.
Глава шестнадцатая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ПРИБОРОВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ
(ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ рН-МЕТРОВ)
§ 16-1. Теоретические основы. Водородный
показатель и пограничные потенциалы
Рассматриваемые преобразователи приме-
няют в приборах для измерения концентрации
растворов в жидкой фазе. Мы ограничимся
рассмотрением лишь водных растворов, ибо
7 А. М. Туричии.
именно для анализа состава водных растворов
метод электрических потенциалов нашел свое
основное применение.
Как будет показано ниже, концентрацию
любого водного раствора можно выразить
в функции концентрации водородных ионов
в растворе; концентрацию же водородных
ионов можно определить по потенциалу, ко-
торый возникает на границе различных элек-
тродов, опущенных в испытуемый раствор.
Рассмотрим сначала вопрос о характери-
стике растворов концентрацией водородных
ионов.
Вода, обладая наибольшей по сравнению
с другими веществами диэлектрической прони-
цаемостью (s= 81), в значительной степени
способствует диссоциации растворяемого ве-
щества на ионы, ибо электростатические вну-
тримолекулярные силы с увеличением диэлек-
трической проницаемости пропорционально
уменьшаются. Сама вода также несколько
диссоциирует. Так, даже в самой чистой воде
всегда присутствует некоторое количество во-
дородных и гидроксильных ионов, чем и
обусловлена вполне определенная, хотя и
очень слабая, электропроводность чистой воды.
Ионизация воды происходит по следующей
схеме:
Н2О£Н+-|-ОН-.
Таким образом, имеет место установив-
шееся равновесие двух процессов: процесса
диссоциации и процесса воссоединения из ио-
нов молекул воды. Оба процесса протекают
с определенной скоростью.
Скорость vt распадения на ионы пропорцио-
нальна действующей массе недиссоциирован-
ных молекул воды:
пг=^[Н2О].
Скорость v2 обратного соединения пропор-
циональна произведению концентраций (дей-
ствующих масс) ионов [Н+] и [ОН-]:
п2 = А2[Н+] [ОН-].
При равновесии обоих процессов vl = v2:
ki [Н2О] —й2[Н+] [ОН-]
или
fei — у— (н+1 [ОН-]
Й2~Л~ [Н2О] ’
где К — константа диссоциации.
Это соотношение представляет собой за-
кон действующих масс применительно к реак-
ции диссоциации воды.
Так как распадение воды на ионы крайне
незначительно, то концентрацию врды [Н2О]
можно считать постоянной и равной единице.
Тогда произведение концентраций равно:
[Н+][ОН-] = /<[Н20] = /<Н!О. (16-1)
Многочисленными точными измерениями
установлено, что при 22° С значение /Сно =
= 10-14.
Так как молекулы воды при ионизации об-
разуют ионы водорода и гидроксила в равном
количестве, то
[Н+] = [ОН-] = уТоти= 10-7.
Растворы, в которых число ионов [Н+] и
[ОН-] одинаково, называются нейтральными.
Если в воде растворить вещество, обра-
зующее при диссоциации ионы [Н+], т. е.
растворить кислоту, то концентрация [H + J
в растворе становится, больше. При этом, со-
гласно закону действующих масс, концентра-
ция [ОН-] станет меньше, чем в нейтральном-
растворе (за счет процесса воссоединения
части образовавшихся ионов Н + с ионами ОН~)„
и именно в таком количестве, чтобы [Н+] [OH-j
осталось равным 10-14.
При растворении в воде щелочей имеет*
место обратная картина: концентрация [ОН-]
становится больше, а концентрация [Н+] со-
ответственно меньше.
Таким образом, у кислых растворов [Н+];>
> 10~7, у щелочных растворов [Н+]<10-7,
а у нейтральных— [Н + ] = 10~7.
В табл. 16-1 дан примерный диапазон из--
менения концентраций [Нт] и [ОН-] для раз--
личных растворов электролитов.
Таким образом, концентрацией водородных
ионов можно характеризовать любые растворы:
кислые, нейтральные и щелочные.
Таблица 16-Г
Растворы электролитов [н+] [он-]
Большие концентрации кис- •
ЛОТ Малые концентрации кис- 10° — 10~2 IQ-14—IQ-1S
ЛОТ Ю-з— ю-e 10-11—10-8
Нейтральные растворы . . Малые концентрации осно- IO"? 10-7
ваний Большие концентрации 10-8—10-11 10-6-10-3-
оснований 10-12—10-14 10-2—10°
Измерение концентрации водородных ионов
в растворе позволяет контролировать технологи-
ческие процессы в производствах: пищевом, ко-
жевенном, бумажном, меховом, текстильном,
резиновом, в ряде производств основной хими-
ческой промышленности и т. д.
На практике концентрацию водородных
ионов численно характеризуют отрицательным
логарифмом концентрации, так называемым
бодородным показателем pH:
рН = —(16-2)
Если, например, [Н + ]=10~3, то pH —3.
Если [Н + ] = а-10”"ь, то рН = —Iga-j-b.
Следует отметить, что закон действующих
масс, так же как и все рассуждения, приведен-
ные выше, строго справедлив лишь для слабых
электролитов при не очень больших концентра-
циях. Для сильных же электролитов, у которых
даже при небольших концентрациях практиче-
ски все молекулы диссоциируют на ионы, и для
слабых электролитов значительных концентра-
ций необходимо учитывать электростатические
силы взаимодействия между ионами, для чего
в приведенных выше выражениях все концен-
трации надо помножить на коэффициент актив-
ности f, меньший единицы.
В этом случае закон действующих масс, на-
пример для реакции диссоциации воды, нужно
выразить следующим образом:
?н+1н+Нон-[°н-]
—-----ГнЖ-------= K' = W .(16-3)
1Н2О] ' 'н2о-,н+-'он- v /
Для слабо диссоциированной чистой воды
/н + и /он- принимают равными единице, что
приводит к выражению (16-2). Но для целого
ряда практически важных случаев коэффи-
циенты активности ионов значительно меньше
единицы и пренебрегать ими нельзя.
Существенно отметить, что значения pH,
измеряемые электрическими методами, рас-
сматриваемыми в настоящей главе, характери-
зуют как раз активные массы ионов (произве-
дение концентраций на f), а не действительные
концентрации. Это обстоятельство для практи-
ческих целей технологического контроля имеет
большое значение, так как только активные,
а не действительные концентрации растворов,
характеризуют физико-химические процессы.
С этой точки зрения необходимо уточнить
данную выше формулировку водородного пока-
зателя pH, поскольку этому понятию придан
новый физический смысл. С учетом коэффи-
циента активности ионов
рН = —lg(/ -[Н*]). (16-4)
Г1
Иначе говоря, водородный показатель равен
отрицательному логарифму активной концен-
трации водородных ионов.
Настоящая формулировка, являясь вполне
общей, включает в себя в качестве частного
случая формулировку (16-2), данную выше.
7*
Пограничные потенциалы. При внесении
электрода в раствор, на границе электрод—•
раствор возникает пограничный электрический
потенциал. Электрические потенциалы могут
возникнуть, кроме того, и при динамических
процессах, на границе соприкосновения двух
разделенных полупроницаемой перегородкой
жидкостей разного рода или одного рода, но
разных концентраций.
Возникающие таким образом пограничные
потенциалы функционально связаны с актив-
ной концентрацией ионов, имеющихся в рас-
творе, в том числе и с активной концентрацией
водородных ионов.
Так как технически возможно лишь измере-
ние разности потенциалов, то преобразователь.
pH-метров всегда состоит из двух полуэлемен-
тов: одним полуэлементом является исследуем
мый раствор с погруженным в него тем или
иным электродом, а вторым — образцовый по-
луэлемент с совершенно определенным потен-
циалом электрода. Оба полуэлемента электрик
чески соединены между собой. Измеряя раз-
ность потенциалов (иначе говоря э. д. с.) двух
электродов образованного таким путем галь-
ванического элемента, можно судить об актив-
ной концентрации водородных ионов в иссле-
дуемом растворе.
Рассмотрим аналитические зависимости по-
граничных потенциалов от концентрации водо-
родных ионов для наиболее часто применяемых
электродов.
§ 16-2. Электродный потенциал системы
металл — ионы металла
Электродный потенциал, как установлено
опытом, при заданной температуре зависит
лишь от концентрации находящихся в растворе
ионов металла электрода.
Согласно осмотической теории электродви-
жущих сил, потенциал (в вольтах) металла,
погруженного в раствор, содержащий ионы
этого металла, выражается уравнением:
£=Е0 + ^1пС, (16-5).
где Ео — потенциал металла при когцентра-
ции ионов металла в растворе, рав-
ной единице, называемый нормаль-
ным потенциалом металла;
R — универсальная газовая постоянная,
выраженная в джоулях (У?=8,316 дж)\
Т—абсолютная температура;
F—число Фарадея (F = 96 500 к);
п — валентность иона;
С — концентрация ионов металла в грамм-
эквивалентах на литр.
Если электродом служит не металл, а ме-
таллоид, посылающий в раствор отрицательно
заряженные ионы, то в формуле (16-5) вместо
знака плюс будет знак минус.
Переходя от натуральных логарифмов
к десятичным и заменяя R и F их числен-
ными значениями, получаем уравнение (16-5)
в следующем виде:
Е=Ей± °^°— lg С. (16-6)
Если оба электрода полуэлементов одина-
ковы и догружены в растворы, содержащие
их ионы, но в различных концентрациях (так
Фиг. 16-1. Преобразователь с водородным
электродом
называемая концентрационная цепь), то э. д. с.,
развиваемая элементом, равна:
£12— Е{ Е% — Ео 1 -j - -IgCi £oi
0,00027-. с _ 0,00027'.
п ® 2 п ® С2 ’
что для температуры в 18° С дает:
г- __0,058 । . z.
£12 = —lg^- (16-7)
Строго говоря, в формулах (16-5)—(16-7)
вместо концентраций необходимо ввести ак-
тивные массы ионов, т. е. помножить С( и
С2 на соответствующие коэффициенты актив-
ности fl и /2.
Ту же роль, что металлические ионы, могут
играть и ионы водорода, определение концен-
трации которых особенно важно для практики.
Для получения соответствующего электрод-
ного потенциала между водородом и ионами Н+
раствора необходимо иметь «водородный элек-
трод». Непосредственное изготовление «элек-
трода» из газообразного водорода невозможно.!
Однако водородный электрод можно осуще-i
ствить, воспользовавшись свойством водорода^
адсорбироваться на поверхности платины,!
иридия или палладия. Обычно водородным!
электродом служит пластинка платиновой же-!
сти, покрытая платиновой чернью, к которой!
непрерывно поступает при атмосферном давле-|
нии газообразный водород. Потенциал этого|
электрода зависит от концентрации водород-i
ных ионов в растворе, а также от давления!
водорода. |
В качестве примера, на фиг. 16-1 показано|
устройство водородного полуэлемента, пред-!
ставляющего собой трубку 1, открытую снизу|
и погруженную в испытуемый электролит. Пла-
тиновая пластинка 2 водородного электрода}
соединяется с впаянной в стеклянную трубку!
платиновой проволочкой, последняя же соеди-j
йена с медным выводом <3. Водород подаете#
в наружную трубку электрода сверху и выхо-1
дит через отверстие, расположенное в нижнеИ
конце этой трубки на уровне половины длины
платиновой пластинки.
Электролитический ключ 4 служит для со-
единения водородного электрода (полуэлемен-
та) со вторым (образцовым) полуэлементом 5.
Электролитический ключ представляет со+
бой трубку, закрытую полупроницаемой проб!
кой 6, заполненную насыщенным раствором
индифферентной соли, например КС1. Опыт
показывает, что применение такого способа со|
единения обоих полуэлементов сильно снижаем
(до 1—2 мв) диффузионный потенциал (н|
границе двух растворов), возникновение кото-
рого вносит погрешность в результат изме|
рения. I
Если один полуэлемент концентрационной
цепи представляет собой водородный электрод!
погруженный в испытуемый раствор, а вторым
полуэлементом является нормальный* полуэле|
мент с водородным электродом, потенциал
которого условно принят за нуль, то э. д. 4
подобной цепи в вольтах при 18° С буде,|
равна: j
£=0,058 lg Ci Ь-, (1б4
/2 |
или, выражая концентрацию водородных ионо]
через pH, согласно формуле (16-4), а такж
учитывая активность водородных ионов нор
мального водородного полуэлемента и обознак
* Термин .нормальный” означает в данном случае
что концентрация водородных ионов в этом полуэл<
менте нормальная. ]
чая э. д. с. цепи при этих условиях через Ее,
получим:
Ев — — 0,058 pH. (16-8а)
Водородный электрод позволяет измерить
pH во всем диапазоне изменения pH (от рН=1
до рН=14). Вследствие неудобства работы
с водородным электродом он применяется
лишь в практике лабораторных исследований.
В качестве второго (образцового) полуэле-
мента применяют нормальный каломельный
полуэлемент (5 на фиг. 16-1).
Каломельный полуэлемент. Металлом этого
полуэлемента является ртуть 7, ионы которой
получаются из насыщенного раствора трудно
растворимой каломели Hg2Cl2 (<$)• В этом на-
сыщенном (относительно каломели) растворе
содержится второй электролит КС1 (9), кон-
центрация которого определяет потенциал
ртути.
В каломельном полуэлементе потенциал
определяется не одноименными ионами, обра-
зуемыми веществом электрода (т. е. не ионами
ртути), а ионами противоположного знака, т. е.
ионами хлора. Подобное явление имеет место
лишь в случае трудно растворимых веществ,
для которых концентрация ионов металла свя-
зана с концентрацией ионов противоположного
знака законом действующих масс, из которого
следует, что произведение концентраций этих
ионов сохраняется неизменным. Если обозна.-
чить произведение концентраций ионов ртути
и хлора через А, то концентрация ионов ртути
всегда равна:
[Hg+]2 = [cl_p ,
и потенциал на ртутном электроде будет равен:
Е — £о + и/г 1П[С1-]2 •
Такие электроды называются электродами вто-
рого рода, в отличие от электродов первого
рода, потенциал которых определяется кон-
центрацией катионов.
Связь между потенциалом какого-либо элект-
рода, измеренным относительно нормального
водородного полуэлемента (Е^, и потенциалом,
измеренным относительно нормального кало-
мельного полуэлемента (Ек), дается выраже-
нием:
£в = ^ + е> (16-9)
где е — потенциал нормального каломельного
полуэлемента относительно нормаль-
ного водородного полуэлемента:
при 0° С......................& = —f- 0,2720 в
, 18° с.....................е = 4- о,2840 »
» 25° С.....................6 — 4-0,2879 »
Таким образом, если в качестве нормаль-
ного полуэлемента применить нормальный ка-
ломельный полуэлемент, то уравнение (16-8а)
перепишется следующим образом (при 18° С):
— Ек = 0,284 4- 0,058 pH. (16-10)
По выражению (16-10) вычислена табл. 16-2
значений pH, соответствующих измеренным
э. д. с. в гальванической цепи с водородным
(испытуемым) и нормальным каломельным по-
луэлементами.
Таблица 16-2
pH Е, мв pH Е, мв
0 284 6 632
2 400 8 748
4 516 10 864
§ 16-3. Электродный потенциал
окислительно-восстановительной системы
Согласно работам Л. В. Писаржевского, ре-
акцию на водородном электроде, погруженном
в раствор с ионами Н+, можно трактовать как
окислительно-восстановительный процесс. В са-
мом деле, молекула адсорбированного в элек-
троде водорода Н2 при переходе в раствор
теряет два электрона и превращается в два
положительных иона водорода, т. е. в 2Н+. Та-
кой процесс называется процессом окисления.
Таким образом, представление об окислении
как об обогащении кислородом или как об от-
нятии водорода можно расширить, приняв про-
цесс окисления как процесс получения молеку-
лой или атомом положительных зарядов или
потери ионом отрицательных зарядов.
Процесс восстановления также понимают
как получение отрицательных зарядов или по-
терю положительных зарядов.
С этой точки зрения всякий металл, так же
как и водород, образуя ионы, окисляется, ибо
металлы и водород способны образовать толь-
ко положительные ионы.
Всякий окислительный процесс обязательно
сопровождается эквивалентным восстанови-
тельным процессом, ибо выделенные металличе-
ским или водородным электродом положитель-
ные ионы, подойдя к катоду, отдают ему свой
положительный заряд и- тем самым восстанав-
ливаются.
Таким образом, во всяком электрохимиче-
ском процессе, при прохождении тока через
раствор происходит окисление на аноде и вос-
становление на катоде.
Однако под окислительно-восстановительны-
ми системами принято понимать более узкую
группу электрохимических цепей, а именно та-
ких, у которых индифферентный электрод (на-
пример платина, золото, уголь) соприкасается
со смесью окислителя и восстановителя и в хи-
мической реакции участия не принимает.
В качестве примера рассмотрим электрохи-
мическую цепь, состоящую из смеси растворов
FeCl3, FeCl2 и НС1, в которую погружен пла-
тиновый электрод. Вторым электродом являет-
ся водородный электрод, погруженный в рас-
твор НС1. Цепь эту можно изобразить следую-
щим образом:
Pt№) | НС111 НС1, FeCl3, FeCl21 Pt,
или
- Pt№) I Н+ I I H+, Fe+++, Fe++1 + Pt.
Суммарный (равнозначный) химический про-
цесс сводится к реакции:
Н2 ф- 2FeCl3 2FeCl2 Ц- 2НС1.
Рассмотрим процессы, которые происходят
у электродов. В левом полуэлементе идет про-
цесс окисления. Молекула водорода переходит
в ионное состояние:
Н2 —2Н+ + 2©.
В правом полуэлементе идет процесс восстанов-
ления Fe+++ до Fe++:
2Fe+++4-2 © ->2Fe++.
Таким образом, платиновые электроды
являются только передатчиком электронов
ионам, причем платиновый электрод в левом
полуэлементе, где происходит переход молекул
водорода в. ионное состояние, заряжается по-
тенциалом отрицательного знака. Этот потен-
циал определяется концентрацией Н+ в рас-
творе НС1 и может быть подсчитан по форму-
лам, аналогичным формулам (16-5) — (16-8).
Что касается правого полуэлемента, то на
нем возникает положительный потенциал,
определяемый концентрацией НС1. При равен-
стве концентраций НС1 в обоих полуэлементах,
положительный потенциал правого полуэлемен-
та равен отрицательному потенциалу левого I.
полуэлемента. |
Хингидронный электрод. В практике изме- 3
рения концентрации водородных ионов нашла j
применение органическая окислительно-вос- ?
становительная система: хинон — гидрохинон.
Если в растворе, содержащем ионы Н+, рас-
творить хингидрон СбН4О2 • С6Н4(ОН)2 и погру-
зить в раствор платиновый или золотой элек-
трод, то происходит следующее: хингидрон при
растворении распадается на хинон СбН4О2 и
гидрохинон СбН4(ОН)2.
Хинон, отнимая два электрона От платины,
образует ион хинона
С6Н4О2 © 2© —» СЙН4СХ©
и, при наличии ионов Н+, образует гидрохинон:
С6Н4О2--©2Н+^С6Н4(ОН)2;
последний же, являясь слабой кислотой, дис-
социирует с образованием ионов хинона и во-
дорода:
С6Н4 (ОН)2 - С6Н4О2- -Ц-2Н+.
Таким образом, полную реакцию можно изо-
бразить в следующем виде: j
С6Н4О2 + 2Н+ + 2©$С6Н4(ОН)2. (
Платина, отдавая электроны, приобретает 1
положительный потенциал, равный |
I 1п[Н+тн4О2]
£-Д) + ^1пТсЛ(бНЙГ‘ (lbll)
Если поддерживать концентрации хинона и |
гидрохинона постоянными и эквивалентными, j
то Е будет зависеть только от концентра-(
ции Н+. }
Обычно в испытуемый раствор помещают j
с избытком твердые хингидрон и гидрохинон, j
что обеспечивает постоянство и эквивалент-{
ность хинона и гидрохинона в растворе. В этом 1
случае формула (16-11) приобретает вид: ?
F=£0 + g-ln[H+]2. (16-12)1
*
После подстановки значений R и F и ne- J
рехода к десятичным логарифмам, при темпе- J
ратуре в 18°С, уравнение (16-12) можно на- [
писать следующим образом: j
Е — Ео 4-0,058 lg [II]; * ' |
* Зависимость потенциала от температуры (в интер- ;
вале 0—40° С) часто подсчитывают по формуле: f
= 0,7175 —0,00074 f [в], j
где 0,7175 в — значение потенциала при 0° С, a t — тем- {
пература. »
здесь Ео — потенциал хингидронного электрода
лри [Н+]=1.
Если вторым полуэлементом является нор-
мальный водородный полуэлемент, потенциал
которого равен Ео, то
Ев= 0,0581g [Н+],
или
£в = — 0,058 pH. (16-12а)
Фиг. 16-2.
Устройство
.хингидронного
преобразова-
теля
Количество
При использовании нормального каломель-
ного элемента необходимо воспользрваться
приведенным выше соотноше-
нием (16-10).
Хингидронный электрод
практически значительно удоб-
нее водородного, так как не тре-
бует газообразного водорода
для насыщения поверхности
платины. Для образования хин-
гидронного электрода достаточ-
но прибавить к испытуемому
раствору небольшое количество
хингидрона.
Вторым преимуществом хин-
гидронного электрода является
быстрое установление потен-
циала, тогда как потенциал
водородного электрода уста-
навливается в течение проме-
жутка времени, необходимого
для полного насыщения слоя
активизированной платины1 во-
дородом.
хингидрона, которое необходи-
мо затрачивать для непрерывного измерения
pH, равно примерно 7 мг на 100 см3 испытуе-
мого раствора. Лучше всего применять концен-
трированный раствор хингидрона’ в ацетоне и
прибавлять его к испытуемому раствору по
нескольку капель.
В качестве примера, опишем устройство хин-
гидронного электрода для непрерывного изме-
рения pH (фиг. 16-2). Электрод представляет
собой стеклянную трубку с двумя патрубками 1
и 2 (через патрубок 2 жидкость входит в элек-
трод, а через патрубок 1 выходит из него),
дно которой закрыто фарфоровой пластинкой 3
с мелкими отверстиями. На этой пластинке
уложен фильтр 4 из стеклянной ваты, поверх
которой расположен слой хингидрона 5. Не-
сколько выше последнего укреплена стеклян-
ная сетка 6, сквозь которую пропущены вниз
к хингидрону платиновый электрод 7, термо-
метр 8 и электролитический ключ 9. На стек-
лянной сетке 6 уложен еще опин фильтр 10 из
стеклянной ваты. Сосуд плотно закрыт рези-
новой пробкой 11, в которую вставлены пла-
тиновый электрод, термометр и соединитель-
ный (электролитический) ключ.
Раствор, проходя через слой хингидрона,
насыщается последним, омывает электрод, от-
фильтровываясь от твердых, увлеченных вместе
с раствором частиц хингидрона.
В один прием можно зарядить электрод
7,5—10 г хингидрона. Время от времени хин-
гидрон надо заменять свежим.
Оптимальная скорость прохождения раство-
ра через электрод равна примерно 200 см3/мин.
Хингидронный электрод дает хорошие ре-
зультаты лишь в кислых растворах (рН<9).
К электродам окислительно-восстановитель-
ной системы относится также часто применяе-
мый сурьмяный электрод. Принцип действия и
устройство сурьмяного электрода описаны ни-
же, в § 37-1.
§ 16-4. Потенциал стеклянного электрода
Принципиальная схема устройства преобра-
зователя для измерения pH при помощи стек-
лянного электрода показана на фиг. 16-3.
Фиг. 16-3. Устройство преобразователя
со стеклянным электродом
Стеклянный электрод А, обычно представ-
ляет собой тонкостенную колбочку, выдувае-
мую на конце трубки, из специальных сортов
стекла. Толщина шаровой стенки колбочки рав-
на 0,05—0,1 мм.
Колбочка заполняется контрольным раство-
ром (нормальным или децинормальным) ка-
кой-либо соли или кислоты и погружается
в исследуемый раствор, концентрацию которого
надо измерить.
Опыт показывает, что на границе стекло —
раствор появляется определенный потенциал,
зависящий от концентрации водородных ионов
раствора, в который погружен стеклянный элек-
трод. Иначе говоря, стеклянный электрод ведет
себя как водородный электрод. При этом без-
различно, какая поверхность шарика будет
использована — внутренняя или внешняя; обе
поверхности нужно рассматривать как «водо-
родные электроды», один из которых в прак-
тических измерениях должен иметь постоянный
потенциал. Промежуточный слой стекла между
обеими поверхностями является по существу
проводником, соединяющим оба электрода.
Необходимость использовать обе поверхно-
сти стеклянного электрода диктуется невозмож-
ностью снять потенциал с одной только поверх-
ности, т. е. невозможностью включить поверх-
ность стекла в электрическую цепь.
Фиг. 16-4. Кривая зависимости
потенциала стеклянного
электрода от значения pH
Обе поверхности стеклянного электрода А
соединяются с образцовыми полуэлементами
при помощи электролитических ключей. На
фиг. 16-3 испытуемый раствор соединен с кало-
мельным полуэлементом, а образцовый рас-
твор, каковым является нормальный раствор
НС1, с каломельным полуэлементом, заполнен-
ным не насыщенным раствором КС1, а таким
же нормальным раствором НО.
Существенно отметить, что в широком диа-
пазоне pH (от 0 до 10) стеклянный электрод
подчиняется той же линейной зависимости
между потенциалом и pH, как и водородный
электрод [уравнение (16-8а)]. На фиг. 16-4
приведена кривая зависимости потенциала Е
стеклянного электрода от pH. На той же фигу-
ре пунктирной линией показана соответствую-
щая прямая для водородного электрода.
Таким образом, в пределах pH от 0 до 10
потенциал стеклянного электрода можно вы-
числить по формулам, приведенным выше
[уравнения (16-5) — (16-9)].
Следует отметить, однако, что не во всех
практических случаях можно пользоваться
уравнениями (16-5) —(16-9). Дело в том, что
внутренняя и внешняя поверхности стеклянно-
го электрода, при прочих равных условиях,
дают несколько отличные друг от друга значе-
ния потенциалов. Иначе говоря, если (фиг.
16-3) внутри и снаружи электрода поместить
совершенно одинаковые растворы, то на элек-
троде можно все же обнаружить потенциал
порядка 10—20 мв. Наличие различных по-
тенциалов на внешней и внутренней поверхно-
стях в подобном случае заставляет предпола-
гать, что причиной этого являются отличия
(асимметрия) в свойствах внутренней и внеш-
ней поверхностей электрода. Этот так называе-
мый «потенциал асимметрии» тесно связан
с сортом стекла, с его электропроводностью.
Чем меньше электропроводность стекла, тем
меньше потенциал асимметрии. Ряд опытов по-
казывает, что потенциал асимметрии зависит
также от способа изготовления электрода.
Температурная погрешность стеклянного
электрода определяется рядом факторов: изме-
нением сопротивления электрода, изменением
потенциала электрода [константы ~ в уравне-
нии (16-5)], а также потенциала образцового
полуэлемента и диффузионного потенциала.
В диапазоне температур 15—50° С температур-
ная поправка равна примерно
АрН — q Q13
Стеклянный электрод может применяться
для измерения pH любых растворов, в том чис-
ле и тех растворов, в которых применение во-
дородных, хингидронных и сурьмяных электро-
дов невозможно по тем или другим причинам.
В настоящее время еще нет общепризнан-
ной теории стеклянного электрода, которая
объясняла бы механизм его действия и те
отклонения от идеального водородного элек-
трода, которые наблюдаются на практике,
а именно: а) отклонение от уравнений (16-5) —
(16-9) в средних значениях pH (потенциал
асимметрии), б) отклонения в щелочных рас-
творах. Кроме того, еще не создано общепри-
знанное уравнение, позволяющее, как в случае
водородного или хингидронного электродов,
вычислить активность водородных ионов в рас-
творе по измеренному потенциалу стеклянного
электрода.
Из высказанных многочисленными автора-
ми теорий стеклянного электрода упомянем
лишь р теории, разработанной Б. П. Николь-
ским, достаточно полно объясняющей большин-
ство наблюдаемых явлений в стеклянном элек-
троде.
Согласно этой теории, причиной возникно-
вения потенциала стеклянного электрода яв-
ляется ионный обмен между раствором и стек-
лом. Структура стекла представляется как не-
подвижный анионный силикатный скелет, внут-
ри которого могут двигаться только катионы;
анионы же, вследствие одноименности зарядов,
в стекло не проникают.
Щелочные ионы стекла, в частности ионы
натрия, располагаются рядом с силикатными
анионами, образуя неправильную кристалличе-
скую решетку. Выходя из равновесного поло-
жения, ион натрия освобождает место, которое
может быть занято либо другим ионом натрия,
либо иным катионом. В поверхностном слое
стекла, на глубине многих молекулярных диа-
метров, происходит обменное вытеснение ионов
натрия ионами водорода. Этот обмен происхо-
дит до тех пор, пока не установится равновесие
между поверхностным слоем стекла и раство-
ром.
Опыт показывает, что потенциал стеклян-
ного электрода может измениться лишь
под влиянием таких ионов, которые способ-
ны передвигаться, согласно этой теории,
в стекле.
В кислых растворах ионы натрия в стекле
почти полностью вытесняются ионами водоро-
да, и стеклянная поверхность приобретает свой-
ства водородного электрода. В щелочных рас-
творах, в особенности при больших концентра-
циях ионов натрия, все свободные места
в стекле занимаются этими ионами, и стеклян-
ная мембрана функционирует как натриевый
электрод.
Перед производством измерений со стек-
лянным электродом, последний необходимо вы-
держать некоторое время (несколько часов)
в воде. Только при такой подготовке стеклян-
ного электрода потенциал на его поверхности,
при погружении его в раствор, устанавливается
достаточно быстро (почти мгновенно).
Свойства стеклянного электрода в значи-
тельной степени определяются химическим со-
ставом стекла и технологией его изготовления.
Химический состав стекла определяет как во-
дородную функцию стеклянного электрода, так
и такие свойства, как электропроводность, рас-
творимость в воде, чувствительность к присут-
ствию катионов металлов, отклонения от ли-
нейности в щелочных растворах, потенциал
асимметрии.
Одним из лучших составов считается стек-
ло с содержанием: 72% SiO2, 22% Na2O и 6%'
СаО.
Сопротивление стеклянного электрода при
диаметре шарика 3 см в некоторых сортах стек-
ла удается снизить до 0,3—0,6 мгом. Чаще все-
го, однако, приходится иметь дело с сопротив-
лением электрода порядка нескольких мегом и
даже сотен мегом.
Наконец, необходимо отметить явление хи-
мической поляризации, имеющей место при
прохождении тока через стеклянный электрод.
Многочисленными измерениями обнаружено
значительное уменьшение сопротивления элек-
трода при измерении на переменном токе, по
сравнению с сопротивлением, измеренным на
постоянном токе. Этот факт объясняется влия-
нием э. д. с. поляризации, величина которой
зависит от тока, протекающего через электрод.
Осуществить измерения со стеклянным элек-
тродом на переменном токе технически очень
трудно. Поэтому измерения проводят на по-
стоянном токе, принимая соответствующие ме-
ры к уменьшению тока, проходящего через
электрод. Опыт показал, что величина сопро-
тивления электрода постоянному току не зави-
сит от прилагаемой э. д. с. в интервале от 160
до 800 мв.
§ 16-5. Требования к измерительной цепи
Основное требование, предъявляемое к ме-
тоду измерения э. д. с. рассмотренных пре-
образователей, — это возможно меньший ток,
проходящий через преобразователь, вызываю-
щий, во-первых, падение напряжения в нем,
а во-вторых, — явление поляризации. Оба
фактора имеют своим результатом погреш-
ность отрицательного знака. Падение напря-
жения в электролитическом преобразователе
определяется также и его сопротивлением.
Особенно считаться с сопротивлением преоб-
разователя приходится в случае использова-
ния стеклянных электродов, сопротивле-
ния которых достигают десятков и сотен
мегом.
Использование методов непосредственного
измерения э. д. с. возможно лишь с помощью
либо электростатических, либо ламповых при-
боров.
Наиболее удобным и чаще всего применяе-
мым является компенсационный метод. Цепи
компенсаторов (как с ручным, так и с автома-
тическим уравновешиванием) для измерения
pH ничем не отличаются от цепей обычных
компенсаторов для измерения э. д. с.
Однако цепи компенсаторов должны преду-
сматривать возможность автоматической ком*
пенсации температурной зависимости э. д. с1;,,
преобразователя, поскольку эта э. д. с. линейно»?-
зависит от температуры [уравнения (16-5) —
(16-9)].
Особо стоит вопрос об измерении э. д. с.
преобразователей со стеклянным электродом.
В данном случае могут быть использованы
лишь цепи с большим входным сопротивле-
нием, поскольку сопротивление преобразовате-
ля может достигать десятков и сотен мегом.
Подобные цепи описаны во второй части книги.
Ряд практически используемых цепей при-
боров для измерения pH приводится в § 37-1 и
37-2.
Глава семнадцатая
ОБРАЩЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ *
§ 17-1. Принцип действия
Обращенными преобразователями назы-
ваются преобразователи, в которых электриче-
ская величина преобразуется в неэлектриче-
скую величину с тем, чтобы эту последнюю
сравнить с измеряемой электрической величи-
ной. Регулируя электрический параметр обра-
щенного преобразователя до достижения ра-
венства между его выходным неэлектрическим
параметром и измеряемой величиной, можно
Источник
питания
Фиг. 17-1. Структурная схема прибора с обращенным
преобразователем
по значению электрического параметра преоб-
разователя судить о значении измеряемой не-
электрической величины.
Таким образом, структурная схема прибора
с обращенным преобразователем может быть
изображена, согласно фиг. 17-1. К источнику
питания электрической энергией обращенный
преобразователь ОП приключается через ре-
гулирующее устройство и измеритель Г. Элект-
рический параметр (ток) Э на входе обращен-
ного преобразователя преобразуется в неэлект-
рический параметр Хк , который компенсирует
измеряемую неэлектрическую величину X. При
изменении измеряемой величины X, образую-
щаяся разность АХ~Хк—X воздействует на
нулевой указатель НУ.
При ручном уравновешивании прибора ре-
гулирующим устройством РУ необходимо до-
биться равенства выходного параметра Хк пре-
образователя измеряемой величине X, о чем
будет свидетельствовать нулевое показание НУ.
* Выделение этих преобразователей в отдельную
группу, так же как и термин „обращенные" преобразо-
ватели, предложено Ф. Е. Темниковым иР. Р. Харченко.
При автоматическом уравновешивании ну-
левой указатель НУ связывается с регулирую-
щим устройством РУ и воздействует на него
при всяком отклонении нулевого указателя НУ
от нуля.
В качестве обращенных преобразователей
могут служить: магнитоэлектрический измери-
тельный механизм, в котором электрический
ток преобразуется в момент механической си-
лы; лампа накаливания, в которой электриче-
ский ток преобразуется в световой поток; элек-
тродвигатель, в котором электрический ток
преобразуется в скорость вращения, и т. д.
§ 17-2. Примеры использования
обращенных преобразователей
На фиг. 17-2 показана принципиальная схе-
ма прибора для измерения весьма малых мо-
ментов трения, возникающих в подшипниках
[Л. 66]. Подшипник 1, подлежащий испыта-
нию, укреплен в кольце 2 и сидит на валу.
Фиг. 17-2. Принципиальная схема устрой-
ства прибора для измерения моментов
трения в подшипниках
Измеряемый момент трения уравновешивается
моментом рамки 3 магнитоэлектрического ме-
ханизма, возникающим вследствие взаимодей-
ствия тока в рамке с полем постоянного маг-
нита 4. Величина тока в рамке регулируется
устройством, состоящим из фотоэлемента 5,
освещаемого от зеркальца, закрепленного' на
оси рамки, и усилителя постоянного тока 6.
При повороте оси, возникающем при неравен-
стве моментов, освещается фотоэлемент, отри-
цательный потенциал на сетке лампы умень-
шается и увеличивается анодный ток лампы,
протекающий через рамку и измеритель 7.
Таким образом, с увеличением измеряемого
момента трения растет ток в рамке, увеличивая
момент, развиваемый ею до равенства с изме-
ряемым моментом.
Шкала измерителя 7, включенного в цепь
рамки, градуирована в единицах момента.
Другими примерами использования обра-
щенных преобразователей являются: оптиче-
ский и фотоэлектрический пирометры, описан-
ные в § 35-2 и 35-7, в которых использована
лампа накаливания, преобразующая ток в све-
товой поток, сравниваемый с измеряемым све-
товым потоком (являющимся функцией изме-
ряемой температуры); стробоскопические тахо-
метры (описанные в § 33-3), в которых ток
преобразуется в частоту, например, вспышек
неоновой лампы, сравниваемую с частотой вра-
щения вала, и др.
Погрешность измерения при использовании
обращенных преобразователей определяется
погрешностью самих преобразователей и поро-
гом чувствительности нулевых указателей. Бла-
годаря нулевому методу измерения при исполь-
зовании обращенных преобразователей может
быть в ряде случаев достигнута высокая точ-
ность измерений.
Часть вторая
ОСНОВНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Раздел третий
ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
Глава восемнадцатая
СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
§ 18-1. Общие соображения
В технике электрических измерений неэлек-
трических величин измерительная цепь, связы-
вающая преобразователь с измерителем, играет
весьма важную роль, так как она служит для
преобразования электрического параметра пре-
образователя в выходной ток или напряжение.
Измерительные цепи, используемые в элек-
трических приборах для измерения неэлектри-
ческих величин, можно, в основном, разделить
на две большие труппы:
а) измерительные цепи, работающие в не-
равновесном режиме, которые мы будем
в дальнейшем именовать неравновесными изме-
рительными цепями;
б) измерительные цепи, работающие в рав-
новесном режиме, с автоматическим уравнове-
шиванием, которые будем в дальнейшем назы-
вать автоматическими равновесными измери-
тельными цепями.
В электрических приборах для измерения
неэлектрических величин находят применение
и равновесные измерительные цепи с ручным
уравновешиванием, однако в последнее время
они употребляются все реже. Кроме того, этим
церям (равновесным мостам и компенсаторам)
посвящена обширная литература (в последнее
время изданы две фундаментальные моногра-
фии К. Б. Карандеева [Л. 36] и А. Д. Нестерен-
ко [Л. 55]), поэтому в данной книге эти цепи
не рассматриваются.
В приборах с генераторными преобразова-
телями измерительная неравновесная цепь
в простейшем случае представляет собой два
провода, соединяющие преобразователь с изме-
рителем (например термопару с милливольт-
метром в термоэлектрическом пирометре).
В более сложных случаях это может быть,
более сложная цепь, в которой э. д. с. преобра-
зователя претерпевает ряд дополнительных
преобразований (усиления, интегрирования,
дифференцирования, преобразования по часто-
те или фазе и т. д.).
В приборах с параметрическими преобразо-
вателями измерительной цепью чаще всего яв-
ляется мостовая цепь в неравновесном режиме,
причем измеритель мостовой цепи обычно гра-
дуируется непосредственно в единицах изме-
ряемой неэлектрической величины.
В более сложных случаях между мостовой
цепью и измерителем могут быть другие узлы
измерительной цепи, в которых ток или напря-
жение измерительной диагонали моста претер-
певает дальнейшие преобразования.
Автоматической равновесной цепью в при-
борах с генераторными преобразователям»
является, естественно, компенсационная равно-
весная цепь с автоматическим уравновешива-
нием.
В приборах же с параметрическими преоб-
разователями автоматической равновесной
цепью является мостовая равновесная цепь
с автоматическим уравновешиванием.
§ 18-2. Общие характеристики
измерительных неравновесных
и равновесных цепей
Неравновесные и равновесные цепи отли-
чаются как по своим свойствам, так и по тем
требованиям, которые должны быть положены
в основу их расчета и проектирования.
Измерительные неравновесные цепи. 1. Для
измерительных неравновесных цепей важней-
шей характеристикой является чувствитель-
яость цепи 5Ц, поскольку последняя суще-
ственно влияет на величину чувствительности
прибора в целом. В самом деле, чувствитель-
ность прибора, измеряющего неэлектрическую
величину F, можно выразить как
S = ^, (18-1)
где Да — изменение отклонения указателя из-
мерителя.
Если обозначить через П — электрический
параметр преобразователя, а через I—ток в
измерителе, то выражение (18-1) можно пред-
ставить в следующем виде:
,,_Да &ГТ Sf ___Да Д/ Д/7
d —д^’дТТ'дГ-д7'*дЛ’дК’
Да „
где •£/=*->из — чувствительность измерителя;
Д/ с
— \ — чувствительность цепи;
Д/7 о
£р=Ъпр— чувствительность преобразова-
теля.
Таким образом получаем:
S=SU3.S4.Snp. (18-2)
В каждом частном случае нужно так соче-
тать параметры всех трех частей прибора, что-
бы обеспечить необходимую, заданную техни-
ческими условиями чувствительность 5 прибо-
ра в целом.
Выбор параметров элементов измеритель-
ной цепи приходится решать, в основном, из
соображений получения максимальной чув-
ствительности цепи.
Так как отклонение а измерителя, как изве-
стно [Л. 4], является функцией мощности, * то
расчет и проектирование всех узлов прибора,
в том числе и измерительной цепи, ведутся на
максимальную чувствительность по мощности.
В тех случаях, когда измеритель обладает
весьма большим сопротивлением, например,
когда измерительная диагональ моста включе-
на на сопротивление сетка — катод электрон-
ной лампы, измерительная цепь характеризует-
ся чувствительностью по напряжению.
* Для магнитоэлектрического, например, прибора
с одним и тем же измерительным механизмом
a = cIryR^=
где 1п— ток в измерителе, Rr—сопротивление измери-
теля, Pt—мощность измерителя.
2. Измерительная неравновесная цепь влия-
ет не только на чувствительность, но и на ха-
рактер шкалы прибора, т. е. на вид зависи-
мости a=f(F). В большинстве случаев стре-
мятся к линейной зависимости тока I (или на-
пряжения U) на выходе цепи от переменного
электрического параметра П преобразователя,
т. е. к зависимости вида I = klJ.
3. Третьей особенностью измерительных не-
равновесных цепей являются несколько пони-
женные требования к погрешности, вносимой
измерительной цепью в результат измерения,
а следовательно, и к стабильности параметров
отдельных элементов этой цепи.
Общая погрешность прибора определяется
суммой погрешностей преобразователя, измери-
тельной цепи и измерителя. Поскольку погреш-
ность измерителя обычно не меньше 1—2% от
предела измерения, то при проектировании при-
боров с неравновесной измерительной цепью
(так же как и преобразователя) нет смысла
стремиться , к снижению вносимой ими погреш-
ности до величин меньших 0,5—1%, посколь-
ку повышение точности преобразователя и
измерительной цепи на один порядок неминуе-
мо связано с увеличением стоимости прибора
в целом и вызывает увеличение расхода мощ-
ности.
4. Четвертой особенностью этих цепей яв-
ляется наличие погрешности измерительной
цепи, обусловленной колебанием величины, ча-
стоты и формы кривой напряжения источника
питания прибора, а также колебаниями сопро-
тивления линии, соединяющей преобразователь
с остальными элементами измерительной цепи.
При использовании неравновесных мосто-
вых цепей необходимо считаться с погреш-
ностью, которая может иметь место при коле-
баниях величины напряжения, а на переменном
токе в ряде случаев при колебаниях частоты и
формы кривой напряжения источника питания
мостовой цепи, поскольку ток в измерительной
диагонали моста прямо пропорционален напря-
жению; на переменном же токе действующее
или среднее значение тока в измерительной
диагонали зависит, кроме того, от формы кри-
вой питающего напряжения.
При колебаниях частоты источника пита-
ния изменяются реактивные сопротивления
элементов цепи, что даже в симметричных мо-
стовых цепях может явиться источником по-
грешности, поскольку идеальной симметрии
практически достигнуть не удается.
Сопротивление, а также емкость линии, со-
единяющей преобразователь (являющийся
частью измерительной цепи) с остальными эле-
ментами цепи, может также изменяться (на-
пример вследствие колебания температуры
окружающей среды). Если сопротивление ли-
нии соизмеримо с сопротивлением тех элемен-
тов цепи, которые включены последовательно
с линией, то при изменении сопротивления ли-
нии всегда имеет место погрешность измерения.
В ряде случаев необходимо считаться и
с емкостью линии, зависящей от взаимного рас-
положения проводов.
Автоматические равновесные цепи. 1. Ос-
новной характеристикой автоматической цепи
является порог ее чувствительности. Под поро-
гом чувствительности при этом мы понимаем
то наименьшее изменение &П (или Д/7) рабо-
чего электрического параметра цепи (или из-
меряемой величины), которое способно приве-
сти в действие уравновешивающий механизм
(следящую систему). Погрешность, определяе-
мую порогом чувствительности равновесной
цепи, можно характеризовать отношением
Д/7 / ДА
77--- ( ИЛИ -р---
**ном \ ном
где FH0M—номинальное значение измеряемой
величины.
Следует отметить, что для уменьшения по-
рога чувствительности часто прибегают к сред-
ствам усиления выходной мощности измери-
тельной цепи с помощью ламповых усилителей.
Применение ламповых усилителей в равновес-
ных цепях практически не привносит погреш-
ности, обусловленной непостоянством коэффи-
циента усиления, которое вызывается колеба-
ниями напряжения источников питания, старе-
нием ламп и т. д. Однако предел увеличения
коэффициента усиления ставится, как известно,
устойчивостью следящей системы (по отноше-
нию к самовозбуждению ее колебаний), а так-
же помехами электромагнитной и электриче-
ской природы.
2. Автоматические равновесные мосты сво-
бодны от погрешностей, обусловленных коле-
баниями напряжения источника питания.
При использовании автоматических компен-
саторов для измерения э. д. с., показания при-
бора не зависят от сопротивления линии.
3. Вопрос о линейности характеристики
шкалы прибора при использовании автомати-
ческой равновесной цепи имеет важное значе-
ние и может быть разрешен (см. § 24-3) с не-
обходимой точностью.
Таким образом, измерительные равновесные
цепи обеспечивают высокую точность и приме-
няются в тех случаях, когда погрешности всех
остальных частей прибора, главным образом
преобразователя, также малы.
В настоящей главе рассматриваются как
общие вопросы, касающиеся измерительной
цепи, так и работа тех узлов измерительной,
цепи, которые являются общими для равновес-
ных и неравновесных цепей.
§ 18-3. Согласование параметров отдельных
частей (звеньев) измерительной цепи.
Цепные схемы приборов
В простейшем случае цепь с генераторным
преобразователем может быть представлена
эквивалентной схемой согласно фиг. 18-1, где
Фиг. 18-1. Цепь с генера-
торным преобразователем
Фиг. 18-2. Мостовая цепь
с параметрическим преоб-
разователем
Е—э. д. с., развиваемая преобразователем,
Z(— внутреннее сопротивление преобразова-
теля, a Zr—сопротивление измерителя. Однако
к подобной же эквивалентной схеме можно
привести и любую измерительную цепь с па-
раметрическим преобразователем, если исполь-
зовать теорему об эквивалентном генераторе.
Например, мостовую цепь, изображенную на
фиг. 18-2, можно также представить в виде
цепи фиг. 18-1, если под Е понимать напря-
жение холостого хода (при Zr = eo) между
точками а и б, а под Zt — сопротивление Za6
моста относительно точек а и б при замкнутом
накоротко источнике питания.
Выражение для тока и для кажущейся
мощности в измерителе (в сопротивлении на-
грузки) имеет вид:
1 =______£____•
г zl -yzr ’
_ £2Zr __ E'-Zj.
Pir = = (R.+ Rr)2^(x. Kv)2 •
Нетрудно видеть, что с точки зрения мощ-
ности, получаемой измерителем, имеет место-
оптимум соотношения между ZrwZL, поскольку
мощность в измерителе стремится к нулю как
при Zr->0, так и при Zr—>оо.
Определение условия максимума мощности
в измерителе путем приравнивания нулю пер-
вой производной от Р.Г по Zr приводит к ра-
венству Zr = Zr Из выражения для Р.г видно
также, что этот максимум будет наибольшим
при х~ — хг, т. е. при = — <рг; однако
подобный случай невозможен на практике,
поэтому практический интерес представляют
два частных случая:
1) 'Р( = ?г и 2)
В первом случае для решения вопроса о
максимуме Pir можно непосредственно поль-
зоваться условием Zr — Zr
Для второго же случая условием макси-
мума мощности Pir является zr — zi (т. е.
равенство модулей сопротивлений).
В частном случае, когда измеритель являет-
ся чисто активным сопротивлением (Zr~Rr),
оптимальная мощность в измерителе имеет
место при Rr = z..
Когда условия Zr = Zi или zr~zt выпол-
нены, тогда говорят, что сопротивление на-
грузки согласовано с сопротивлением источ-
ника питания; это согласование является, сле-
довательно, условием максимума мощности,
получаемой сопротивлением нагрузки от источ-
ника.
Представляет интерес определить, как
уменьшается мощность, получаемая измерите-
лем, при отступлении от условия согласова-
ния. При условии согласования имеем:
- Так как максимум мощности PirMaKC ’сам
зависит от соотношения между <р. и то
построим кривые С=/(а) для двух крайних
случаев: <р(. = — 0 (фиг. 18-3,а) и cpz = — у г
<рг —0 (фиг. 18-3,6), а
также для одного изпро-
межуточных случаев
. ^=0(фиг. 18-3,в),
с тем, чтобы получить
представление о влия-
нии фазовых соотноше-
ний. Полученные кривые
изображены на фиг. 18-4.
Как. видно из кривых,
наибольшее изменение
значения С при пере-
ходе от чисто актив-
ного к чисто реактив-
ному сопротивлению не
превосходит двукрат-
ного, поэтому во всех
промежуточных слу-
чаях значение С может
отличаться от значения
С цепи с чисто актив-
ными сопротивлениями
меньше, чем в два раза.
Измерительная не-
равновесная цепь мо-
жет быть достаточно
сложной и состоять из
Фиг. 18-3. Эквивалентные-
цепи прибора при различ-
ных фазовых соотноше-
ниях между Z; и Zr
ряда звеньев. В качестве примера на фиг. 18-5,а
показана измерительная цепь электрического-
7—7 р Е* _ Е*
И Г1Г макс 4Z. 4Zr
При Zi^=Zr обозначим Z^Z^a-, а яв-
ляется, следовательно, степенью согласования
сопротивления нагрузки с сопротивлением источ-
ника.
Мощность в измерителе при Z.^ZT равна:
Р = E*Zr - ' Е^а - Е2а
‘r (^z + aZj)2 Z;(!-|-ap
Отношение
Р.г _____ 4а ______
Р1Г макс (* + а)2
4
2+ (а + т)
Фиг. 18-4. Кривые £=f(a) при = 0 и при
различных у(.
тахометра с индукционным преобразователем,
представляющим собой генератор переменного*
тока.
К зажимам преобразователя П приключен
трансформатор Гр, вторичная обмотка которо-
го замкнута через выпрямительную цепь Вп на
магнитоэлектрический прибор (измеритель).
Фиг. 18-5. Измерительная цепь электри-
ческого тахометра с индукцицнным пре-
образователем
разователя и оптимальных режимов его рабо-
ты в измерительной цепи с точки зрения макси-
мальной мощности в измерителе. В этом слу-
чае каждое из звеньев (каждый четырехполюс-
ник) цепной схемы целесообразно характеризо-
вать эффективностью преобразования входной
мощности в выходную мощность:
С = (18-3)
1 л
где Р.2 — кажущаяся мощность в нагрузке
(на выходе) четырехполюсника;
—кажущаяся мощность, подводимая
на входе четырехполюсника.
Метод цепных схем можно использовать
для цепей не только тогда, когда нас интере-
сует передача четырехполюсникам энергии, но
и в тех случаях, когда представляет интерес
преобразование четырехполюсником величины
сопротивления, например, когда преобразова-
тель сопротивлением Z{ включен в плечо моста
(фиг. 18-6) через некоторый четырехполюсник
Ток /ь протекающий по первичной обмотке
трансформатора, определяется э. д. с. Е пре-
образователя, являющейся функцией измеряе-
мой скорости вращения, и суммой сопротив-
лений преобразователя (внутреннее сопротив-
ление Zn) и цепи (внешнее относительно за-
жимов преобразователя сопротивление).
Трансформатор выполняет функцию /j пре-
образования тока /] в /2, а выпрямитель
выполняет функцию /2 преобразования пере-
менного тока /2 в постоянный ток 1Г. В тех
случаях, когда внутри звена нет источника
э. д. с., оно может быть, как известно, пред-
ставлено пассивным четырехполюсником.
И трансформатор и выпрямитель, следователь-
но, могут быть представлены пассивными че-
тырехполюсниками. Измерительную цепь
фиг. 18-5,а можно изобразить в виде цепной
схемы, показанной на фиг. 18-5,6. Нагрузкой
на выходе цепной схемы является сопротивле-
ние Rr измерителя.
Выразить аналитически зависимость между
всеми параметрами, определяющими мощность
в измерителе, представляет значительные труд-
ности.
Рассмотрение цепных схем, отображающих
все процессы преобразования в звеньях цепи,
позволяет значительно упростить решение во-
проса о выборе оптимальных размеров преоб-
Фиг. 18-6. Схема включения преобра-
зователя в цепи моста через четы-
рехполюсник
(например схему температурной компенсации).
В этом случае под эффективностью преобразо-
вания четырехполюсника следует понимать:
^2
dZ^_
Z2
Zi
относительное изменение сопротив-
ления, на которое замкнут вход
четырехполюсника;
относительное изменение сопротив-
ления с выходных концов четырех-
полюсника при изменении сопротив-
ления Zi на dZ[.
Цепными схемами, отображающими преоб-
разование параметра, удобно пользоваться, в
частности, при расчете магнитных цепей.
Например, магнитная цепь и ее эквивалентная
схема, изображенные на фиг. 9-5, 9-6 и 9-7,
могут быть представлены в виде цепной схемы
(фиг. 18-7).
Эта цепь приключена к источнику питания
с напряжением, численно равным м. д. с. F,
и общим током, численно равным магнитному
потоку Ф, причем величина Ф определяется
при постоянной м. д. с. значением общего
магнитного сопротивления ZM магнитной цепи.
Фиг. 18-7. Цепная схема магнитной цепи
Под воздействием измеряемой величины
изменяется магнитное сопротивление 7?3 зазо-
ра, вследствие чего меняется магнитное со-
противление Z22 между точками 2—2 (фиг. 9-5).
Зависимость между относительными измене-
ниями магнитного сопротивления на выходе
и входе четырехполюсника I может быть вы-
ражена уравнением:
А ^22
_ __ ^22
§ 18-4. Зависимость эффективности
преобразования от качества четырехполюсника
и степени согласования
Как было упомянуто выше, основным тре-
бованием к каждому из звеньев цепной схемы
является требование максимальной эффектив-
ности преобразования, осуществляемого этим
звеном.
Не приводя здесь теории четырехполюсни-
ков, изложенной в ряде учебников [например
Л. 38], воспользуемся главными положениями
этой теории. Основными уравнениями четырех-
полюсника (фиг. 18-8) являются:
Z71 = 4i72+B/2, 1
7] = С(72-|-1)/2. I
(18-4)
Комплексные постоянные А, В, С, D зави-
сят от сопротивлений четырехполюсника и
совершенно не зависят от параметров внеш-
них цепей, с которыми связан данный четы-
рехполюсник. При этом между постоянными
существует соотношение:
AD—BC=1. (18-5)
Параметром, характеризующим качество
четырехполюсника, является, как известно,
Т
и,
±_
Фиг. 18-8. Четырехполюсник
Изменение величины Z22 вызывает в свою
очередь изменение полного сопротивления
магнитной цепи ZM. При этом
J. __ ZM
II ^Z22
Z22
Связь между и ZM определяется произ-
ведением С, поэтому выбор оптимальных
размеров отдельных участков магнитной цепи
должен быть подчинен получению максималь-
ных значений С, и Возможность определе-
ния оптимальных размеров участков цепи от-
дельно для каждого из четырехполюсников
значительно облегчает общую задачу отыска-
ния оптимального варианта.
.8 А. М. Туричии.
отношение сопротивления холостого хода к
сопротивлению короткого замыкания:
А2 = фи, или А = 1/-f^, (18-6)
^кз у
где Zxx — сопротивление холострго хода с кон-
цов 3—4 (при размыкании концов
7-2);
ZK3 — сопротивление короткого замыкания
с концон 3—4 (при коротком замы-
кании концов 1—2).*
Чтобы найти Zxx и ZK3 с концов 3—4
четырехполюсника, поменяем местами его
* Определенности ради следовало бы пользоваться
обозначениями ZxxS_4 и ZK3 3_4 . Так как все дальней-
шие рассуждения ведутся для случая включения на-
грузки к зажимам 3—4, то все параметры рассматри-
ваются только относительно концов 3-4, и индексы
3—4 будем опускать.
входные и выходные зажимы, как это пока-
зано на фиг. 18-9. Тогда, как известно, урав-
нения четырехполюсника будут:
I?1 — DL12-у BI2,
ц = сй2+А12.
(18-7)
Из фиг. 18-5 и уравнений (18-7) нетрудно
видеть, что при коротком замыкании концов
1—2 U2 = 0 и
[7, = в72; Ц = А12, ZK3=^- = 4- (18-8)
При холостом ходе /2 = 0 и
O' = DU2, h = CU2-, zxx = ^ = ^-. (18-9)
Отсюда
= = и
ZK3 ВС
(18-10)
—о/ Зо
,J2
-02 40-
Фиг. 18-9. Четырехполюсник
при перемене местами его
входных и выходных зажимов
Вторым параметром, характеризующим че-
тырехполюсник, является так называемое
характеристическое сопротивле-
ние Zxap четырехполюсника, равное
= (18-11)
Выражая Z через постоянные четырехпо-
люсника, имеем:
а выражая Z через параметр k, получим:
(18-13)
Найдем зависимость эффективности пре-
образования от параметра k.
Согласно уравнениям (18-4), модуль О\1\
можно выразить как
|[71/1] = |[72/2(4лс4-4в£»+Л£>+св') =
\ *2 ^2 /
— | l'J2i2 (Z2AC BD + AD-\- CBj |.
Разделив и умножив правую часть уравне-
ния на y^ABCD, получим:
10,1, | -1 OJ,(z,/§++
+/ro+/g)>/-4BCD
или, учитывая уравнения (18-10) и (18-11),
IWil =
Х^хар
ABCD.
(18-14)
Так как AD— ВС= 1 [см. уравнение (18-5)}»
то, разделив обе части этого равенства на
]/ ABCD, получим:
l/AD -/дс_ 1
Г вс V AD уABCD ’
или
* VABCD '
(18-15)
Обозначив, кроме того,
можно уравнение (18-14) переписать:
(18-16)
Таким образом, выражение для эффектив-
ности преобразования четырехполюсника яв-
ляется функцией только двух переменных:
величины k, которую мы будем называть
в дальнейшем качеством четырехпо-
люсника, и величины а, которую мы будем
называть степенью согласования сопро-
тивления нагрузки с характеристическим со-
противлением четырехполюсника.
Если для цепной схемы, характеризующей
преобразование параметра, выразить входное
сопротивление Z\ через параметры А, В, С, D,
то получим, как известно, выражение:
•р__az2 -[- в
1—' CZ2A-D •
Нетрудно показать [Л. 80], что, взяв про-
изводную dZ\jZ\ и преобразовав выражение
эффективности преобразования параметра
dZ2
Г __ Z2
"п~ dZy
zi
с использованием обобщенных параметров к
и а, мы получим выражение для аналогич-
ное выражению для С, т. е.
§ 18-5. Условия максимума эффективности
преобразования
На фиг. 18-10 показано семейство кривых,
выражающих уравнение (18-16); по оси абсцисс
отложены значения а в логарифмическом
Фиг. 18-10. Кривые зависимости эффективности преоб-
разования ? от степени согласования а при различных
значениях качества четырехполюсника k.
масштабе, по оси ординат—значения С; кривые
построены для различных значений модуля k
и для вещественных значений а. Если а яв-
ляется комплексным, то приведенными кривы-
ми можно пользоваться, полагая а — \Z2'ZX \=
= -^—. Значение С при этом будет меньше
*хар
действительного, однако практически не более,
чем на 204-30% (см. § 18-1).
Из кривых видно, что максимум эффектив-
ности преобразования для любых значений k
имеет место при а — 1, т. е. при z2 = zxap.
Отступления от согласования z2~zxap в обе
стороны дают одинаковое уменьшение С; при
этом в районе согласования максимум до-
статочно пологий. Пунктирная кривая, обозна-
ченная через 0,9, соответствует потере 10%
от значения С при отступлении от условия
а—Г, как видно, чем меньше k, тем при
8*
меньших отступлениях от а=1 теряется 10%
от значения С при а=1 (т. е. при согласова-
нии). Пунктирная кривая, обозначенная 0,5,
соответствует рассогласованию, при котором
теряется 50% от С, имеющего место при
а — 1.
Таким образом, несмотря на пологий ма-
ксимум кривых С=/(а), вопрос о согласовании
z2~zxap имеет важное значение, особенно
при малых значениях к и при наличии не-
скольких звеньев в цепной схеме, поскольку
эффективность преобразования С цепной схемы
равна произведению эффективностей преобра-
зования отдельных звеньев:
При наличии, например, в цепной схеме
трех звеньев, каждое из которых характери-
зуется качеством к = 2, и при степени со-
гласования звеньев, равной а =5, значение С,
согласно фиг. 18-6, будет равно:
С = 0,253= 0,016.
При соединении четырехполюсников между
собой на принципе согласования сопротивле-
ния нагрузки с характеристическим сопротив-
лением четырехполюсника, т. е. при |а|=1,
уравнение (18-16) примет вид:
С =
(18-16а)
£2—1
1 -I- ft4 -I- 2k
Фиг. 18-11. Кривая зависимости эффек-
тивности преобразования от модуля к
при степени согласования а=1
На фиг. 18-11 показана кривая зависимости
эффективности преобразования С от качества
четырехполюсника (модуля к) при а = 1; из
фигуры видно, что при к = 1 значение С = 0,
а при к —ос значение С=1. Практически
достаточно стремиться к значениям k — 10 4- 15,
что обеспечивает при выполнении согласования
( = 0,84-0,85.
Уравнения (18-16) и (18-16а) и кривые
фиг. 18-6 и 18-7 могут служить для расчета
значения С , а следовательно, и для выбора
оптимальных параметров преобразователя и
цепи, обеспечивающих наибольшую эффектив-
ность преобразования всей цепной схемы при-,
бора. Таким образом, первой задачей при рас-
чете оптимальных значений параметров элек-
трического прибора является изображение
электрической цепи прибора в целом в виде
цепной схемы пассивных четырехполюсников.
Рациональная разбивка электрической цепи
прибора на звенья имеет важнор значение и
обычно решается без труда на основании кон-
кретных технических условий проектирования.
После этого необходимо проанализировать
каждый четырехполюсник с точки зрения полу-
чения наибольшего качества четырехполюсни-
ка k, зависящего, как это ясно из изложенного
выше, только от внутренних свойств четырех-
полюсника, т. е. от соотношения его сопротив-
лений.
После расчета значений k отдельных четы-
рехполюсников следует согласовать их характе-
ристические сопротивления между собой и с со-
противлением нагрузки.
§ 18-6. Пример использования метода
цепных схем
Рассмотрим, в качестве примера, использо-
вание метода цепных схем Для анализа и вы-
бора оптимальных соотношений между пара-
Фиг. 18-12. Т-образная
эквивалентная схема
трансформатора
Как известно,
метрами в электрическом
тахометре, цепь которого
изображена на фиг. 18-3.
Рассмотрим сначала
вопрос об оптимальном
значении k качества четы-
рехполюсников fi (транс-
форматора) и f2 (выпря-
мительного узла).
упрощенную эквивалентную
схему трансформатора можно изобразить как
Т-образную схему трех полных сопротивлений
(фиг. 18-12);
Z] и Z2—полные сопротивления, активные
составляющие которых учитывают
потери в обмотках трансформатора
(при приведенном числе витков вто-
ричной катушки), а реактивные со-
ставляющие определяются потоками
рассеяния;
Zo—полное сопротивление, активная со-
ставляющая которого учитывает по-
тери в стали сердечника, а реак-
тивная составляющая определяется
основным магнитным потоком транс-
форматора.
Иначе говоря, сумма сопротивлений Zi -|-Z2
представляет собой практически сопротивле-
ние короткого замыкания ZK3 , a Zo — сопро-
тивление холостого хода Zxx трансформатора.
Таким образом, качество k\ четырехполюс-
ника /1 можно выразить, как
ki =
20
В сопротивлении Zo можно пренебречь его
активным сопротивлением, по сравнению с ин-
дуктивным сопротивлением, а в сопротивле-
ниях Zi и Z2, наоборот, можно пренебречь их
реактивными сопротивлениями по сравнению
с активными сопротивлениями. Тогда
Нетрудно доказать, что все три члена правой
части этого равенства при заданной площади
окна катушек и при одинаковом коэффициенте
заполнения обеих обмоток пропорциональны
квадрату числа витков катушек (см. § 9-3).
Таким образом, качество четырехполюсника
практически не зависит от числа витков ка-
тушек.
Опыт показывает, что для небольших
трансформаторов, применяемых в измеритель-
ных цепях, k = 2,5 4- 6, что, согласно кривой
фиг. 18-11, соответствует максимальной эффек-
тивности преобразования (идл,с = 40 4-70%.
Выпрямительный узел цепи фиг. 18-5 для
каждого полупериода можно представить
в виде эквивалентной схемы, изображенной
на фиг. 18-13,а, где через г обозначено пря-
мое сопротивление, а через гоб — обратное со-
противление выпрямителя. Поскольку прямое
сопротивление выпрямителя значительно
меньше, чем сопротивление измерителя,
то оно определяется (по статической харак-
теристике) током, проходящим через измери-
тель (и выпрямитель). Обратное же сопротив-
ление выпрямителя обычно значительно больше,
чем сопротивление 7?г, поэтому величину об-
ратного сопротивления выпрямителя целесооб-
разно определить (по статической характери-
стике) напряжением, приложенным к выпря-
мительному узлу. На линейном участке ста-
тической характеристики отношение ro%rnp
практически мало зависит от напряжения
(и тока) на выпрямителе, и схему выпрями-
тельного узла можно свести к пассивному
линейному четырехполюснику с достаточной
для практических целей точностью.
Эквивалентную схему фиг. 18-13,а можно
представить в виде Т-образного четырехпо-
люсника, изображенного на фиг. 18-13,6. Учи-
Фиг. 18-13. Эквивалентная схема
выпрямительного узла
тывая, что гоб > г , можно принять, что со-
противление холостого хода Zxx =s , а со-
противление короткого замыкания ZK3 % 2г .
Тогда качество k2 четырехполюсника f2
(фиг. .18-3) будет равно:
Для выпрямителей, применяемых в изме-
рительных цепях, можно принять го%гпр =
= 800 4- 1 000, т. е. #2= 144-16, что, согласно
кривым фиг. 18-11, приводит к значению ма-
ксимальной эффективности преобразования че-
тырехполюсника 1^макс = 85%.
Таким образом, примеры обоих четырехпо-
люсников свидетельствуют, что максимальные
эффективности преобразования для данного
типа преобразователя распространенной кон-
струкции практически мало зависят от кон-
структора прибора.
Иначе обстоит дело со степенью согласо
вания четырехполюсников и сопротивления на
грузки генератора. В самом деле, степень со"
гласования зависит от характеристического
сопротивления четырехполюсника, которое вы-
ражается как Zxap = VZxxZK3. Для четырех-
полюсника /1, эквивалентного трансформатору,
Zxap^V Хо (Г] -|-Г2) CW2,
поскольку как х0, так и Г[ и г2 пропорцио-
нальны w2 (с — коэффициент пропорциональ-
ности). Следовательно, выбор числа витков
может (и должен) быть сделан из условия
а=1, т. е. из условия равенства Z сопро-
тивлению нагрузки четырехполюсника.
Для четырехполюсника /2, эквивалентного
выпрямителю, характеристическое сопротивле-
ние
Следовательно, выбор размеров выпрями-
тельных пластин может (и должен) быть
сделан также из условия а—1, т. е. из усло-
вия равенства Z сопротивлению измери-
теля. Если выбор выпрямительных пластин
в отношении их размеров ограничен (как это
обычно и имеет место на практике), то для
согласования характеристического сопротив-
ления необходимо включать несколько выпря-
мительных пластин последовательно или па-
раллельно.
Рассмотрим численный призер расчета
и согласования параметров схемы фиг. 18-5.
Положим, что задан измеритель с сопро-
тивлением /?г = ЮО ом. Тогда для выполнения
согласования всех элементов цепи необходимо,
чтобы характеристические сопротивления че-
тырехполюсников fi и /2 были равны 100 ом
(каждое), и чтобы внутреннее сопротивление
генератора, приведенное через коэффициент
трансформации, также было равно 100 ом.
Для четырехполюсника f2 (выпрямитель)
примем, как об этом было упомянуто выше,
]£| = 14. Следовательно,
Z ^2г
^кз пр
100
14
7 ОМ,
откуда
гл/,= 3,5 ом.
Значение
Z —-^~=Z k = 100-14=1 400 ом,
Л Л X Л 1Л
откуда
гоб = 2 800 ом
(тот же результат можно было бы 'получить
из выражения Zxap = Vro6rnp).
Для четырехполюсника f\ (трансформатор)
примем |А| = 4; (С = 60 %), тогда
Z„ = Z1+Z!=^=^=25 ом;
Zxx = Z0 = Zxapk = 100 • 4 = 400 ом.
Таким образом, пластины выпрямителя
должны иметь размеры, обеспечивающие гпр—
= 3,5 ом и гоб=2 800 ом, а трансформатор
должен иметь числа витков обмотки, обеспе-
чивающие Z] Z2 = 25 ом и Zo = 400 ом
(с выходных зажимов трансформатора).
Если по техническим условиям идеального
согласования добиться не удается, то по фор-
мулам (18-16) и (18-16а) и кривым фиг. 18-10
и 18-11 нетрудно подсчитать реальное значение
эффективности преобразования каждого звена
в отдельности, а следовательно, и цепи при-
бора в целом.
Глава девятнадцатая
ВЫБОР ИЗМЕРИТЕЛЯ ПРИБОРОВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Для расчета измерительных цепей прибо-
ров, служащих для измерения неэлектрических
величин, весьма важно знать основные пара-
метры выбираемого измерителя. К таким па-
раметрам следует отнести: расход мощности,
сопротивление, чувствительность (к току, на-
пряжению, мощности), критическое сопротив-
ление.
В настоящем разделе приведены основные
параметры наиболее часто применяемых изме-
рителей.
§ 19-1. Измерители
(и указатели равновесия)
постоянного и переменного тока
В настоящем параграфе приводятся основ-
ные характеристики измерителей постоянного
и переменного тока.
Основные параметры измерителей и указа-
телей равновесия постоянного тока. В качестве
измерителей в цепях постоянного тока приме-
няются только магнитоэлектрические приборы.
а) Магнитоэлектрические миллиампермет-
ры (вольтметры). Расход тока в них колеблет-
ся от 3 до 7 ма. Сопротивление рамки порядка
50—100 ом. Расход мощности на каждый вольт
от 3 до 7 мет-, расход мощности в самой рамке
не превышает 0,5—20 мет.
б) Микроамперметры с теневой стрелкой
(например, типов М-91, М-95) на пределы
измерения 0,1, 1, 10, 100 мка характеризуются
мощностью порядка 1-г 10- 10-8 вт. Сопротив-
ление, например, микроамперметра М-95 на
предел измерения 10 мка равно 730 о.и. Внеш-
нее критическое сопротивление на предел изме-
рения 0,1—1 мка равно 100 000 ом, на предел
измерения 1—10 мка равно 10 000 ом.
в) Магнитоэлектрические милливольтмет-
ры. * Милливольтметры типов ГНКП, ПГУ,
МП. выпускаются на пределы измерения от 17
до 62 мв. Ток при конечном отклонении равен
примерно 120 мка (при 17 мв) и 300 мка (при
45 и 62 мв). Сопротивление рамки равно 40—
50 ом. Полное сопротивление прибора равно
150—300 ом. ' *
Милливольтметры типа МПБ выпускаются j
на пределы измерения 22—52 мв. Ток при ко- |
нечном отклонении равен 250—300 мка. Со-
противление рамки равно 30 ом, общее сопро- >
тивление 70—170 ом.
Расход мощности в упомянутых милли- ।
вольтметрах колеблется от 2 мквт (при 17 мв) ;
до 16 мквт (при 60 мв).
Самопишущие милливольтметры типа СГ и
милливольтметры типа КГ также выпускаются
на пределы измерения от 17 до 60 мв. Ток при
конечном отклонении в них равен 80 мка, со-
противление прибора равно примерно 300 ом,
расход мощности составляет примерно 1,5 мквт.
г) Магнитоэлектрические логометры. Наи-
более распространены логометры типов: ЛМПУ
и ЛПБ. Самопишущие логометры типа СЛМ
имеют такие же параметры, как логометр
ЛМПУ. ’
Логометр ЛМПУ используется в цепи четы- •
рехплечего моста. Ток в рамке, приключенной
к вершинам питания моста, сохраняется неиз-
менным, его величина, в зависимости от на-
значения прибора, колеблется в пределах от
* Детальные данные милливольтметров и логомет- |
ров приведены в [Л. 12]. |
2,12 до 4,12 ма. Ток в рамке, приключенной
к вершинам измерительной диагонали моста,
изменяется: в начале шкалы ток равен от
2,74 до 5,64 ма, а в конце шкалы от 1,07 до
2,38 ма соответственно.
Отношение токов в рамках изменяется от
1,24- 1,4 в конце шкалы до 0,5-? 0,6 в начале
шкалы. Сопротивление каждой рамки равно
45 ом.
Логометр типа ЛПБ работает в схеме пяти-
плечего моста (см. фиг. 21-4). Ток в одной
рамке (внутренней) при отклонении стрелки
ют начала до конца шкалы растет от 1,2 до
1,7 ма, ток в другой рамке (внешней) при этом
уменьшается от 4,7 до 1,2 ма-, это наименьшие
значения токов в рамках. Наибольшие значе-
ния токов в рамках 5,6—6,6 ма.
Отношение токов в рамках изменяется от
0,7 в начале шкалы до 1,42 в конце шкалы. Со-
противление каждой рамки 80 ом.
д) Магнитоэлектрические гальванометры
используются в основном как указатели рав-
новесия. В качестве примера параметров стре-
лочного гальванометра приводим параметры
стрелочного переносного гальванометра типа
ГМП. Его чувствительность к току Sf равна
1—2 мм/мка, сопротивление Rp рамки равно
180—200 ом, внешнее критическое сопротив-
ление RKn равно 1000—4000 ом.
Все более широкое распространение полу-
чают переносные зеркальные гальванометры
с внутренним световым отсчетом. Примером по-
добных гальванометров является гальванометр
типа ГПЗ-2. Его чувствительность к току до-
стигает 200—400 мм)мка, а чувствительность
к напряжению 0,8 мм/мкв. Сопротивление рам-
ки от 20 до 200 ом, внешнее критическое со-
противление — от 100 до 2000 ом.
Особо высокую чувствительность к току
имеет переносный гальванометр типа ГПЗ-А;
его чувствительность достигает 4000 мм/мка-,
внутреннее сопротивление этого гальванометра
равно 1000 ом, а внешнее критическое сопро-
тивление 100 000 ом.
Подобные гальванометры выпускаются и
с большой чувствительностью к напряжению.
Так, гальванометр типа ГПЗ-В имеет чувстви-
тельность к напряжению равную 3 мм/мкв-, его
внутреннее сопротивление равно 20 ом, внеш-
нее критическое сопротивление также равно
20 ом.
Характерным примером стационарного зер-
кального гальванометра является гальвано-
метр М-21. При значении RBH — 500 ом и RKP—
= 20 000 ом, его чувствительность к току
S[ — 600 мм/мка, а при RBH ~ 1 000 ом и
RKP= 100000 ом чувствительность S{ =
= 6 000 мм/мка. Чувствительность к напря-
жению Su — 0,03 мм/мкв.
Основные параметры измерителей и указа-
телей равновесия переменного тока, а) Ферро-
динамйческие миллиамперметры и логометры.
Ферродинамические амперметры и вольтметры
(например типов Д-140, Д-170, Д-180) расхо-
дуют мощность порядка 3,5—9 ва.
В технике электрических измерений неэлек-
трических величин ферродинамический измери-
тель используется обычно с независимым воз-
буждением (с включением неподвижной ка-
тушки непосредственно в цепь источника тока).
В подобных случаях от измерительной цепи
расходуется мощность лишь в рамке ферроди-
намического прибора; эта мощность может
быть снижена до нескольких десятков милли-
ватт.
б) Резонансные гальванометры. Широкое
распространение имеет резонансный гальвано-
метр типа ВГ, собственную частоту подвижной
части которого можно регулировать в пределах
от 40 до 60 гц. Чувствительность гальваномет-
ра к напряжению равна 5 • 10-2 мм/мкв, а чув-
ствительность к току 10 мм/мка. Сопротивление
гальванометра равно 120 ом.
в) Телефон находит применение при изме-
рениях на звуковых частотах. Для частот
700—1000 гц чувствительность электромагнит-
ных телефонов колеблется от 0,01 до 10 мв.
Сопротивление телефонов от 700 до 4000 ом.
г) Магнитоэлектрические вибраторы. Ви-
браторы наиболее распространенного осцилло-
графа типа МПО-2 имеют параметры, указан-
ные в табл. 19-1.
Таблица 19-1
Тип Частота соб- ственных колебаний в воздухе, гц Чувствитель- ность, мм{ма Сопротивле- ние, ом Максималь- ная допусти- мая ампли- туда тока, ма Мощность на отклоне- ние, равное 50 жм (на экране), мвт
на плен- ке на экра- не
I 5 000 0,25 1,0 1 100 40
II 10 000 0,05 0,2 1 150 1 000
IV 3 000 1,25 5,0 6 20 9,6
V 2 000 3,5 14,0 6 6 1,35
VIII 1 200 12,5 50,0 11 1 0,18
§ 19-2. Применение ламповых усилителей
в сочетании с различными измерителями
Использование ламповых усилителей в соче-
тании с измерителями позволяет значительно
увеличить чувствительность приборов, что при
равновесном режиме йзмерительной цепи непо-
средственно приводит к повышению точности
измерения. С точки зрения требования к усили-
телям следует различать два случая их исполь-
зования в сочетании с измерителями.
Если измеритель работает в равновесной
цепи, т. е. является указателем равновесия,
то к усилителю предъявляется лишь одно
Фиг. 19-1. Схема усилителя (нулевого указателя) с лампой
6Е5 на выходе
основное требование — минимума помех, т. е.
требование наименьшего порога чувствитель-
ности (входного сигнала). Требование постоян-
ства коэффициента усиления в этом случае
практически не предъявляется.
Если же измеритель работает в неравновес-
ной цепи, и шкала его градуирована в еди-
ницах измеряемой величины, то, наоборот,
основным требованием к усилителю является
требование постоянства коэффициента усиле-
ния. Требование минимума помех хотя и отсту-
пает на второй план, но остается в силе, по-
скольку наличие помех может иметь своим
следствием непостоянство нуля.
С точки зрения удовлетворения поставлен-
ным выше требованиям целесообразно рассмот-
реть отдельно усилители переменного тока и
усилители постоянного тока.
Усилители переменного тока в сочетании
с измерителями. Если требования к чувстви-
тельности измерителя, работающего как указа-
тель равновесий, не-очень высоки, то можно не
применять специальных мер к уменьшению
помех. В подобном случае можно использовать
в сочетании с измерителями любой усилитель.
Особо следует отметить использование в по-
добных случаях усилителей в сочетании с лам-
пой 6Е5 («магическим глазом») в качестве ука-
зателя равновесия. Пример усилителя с лампой
6Е5, применяемого в серийно выпускаемых мо-
стах для измерения емкостей и сопротивлений,
изображен на фиг. 19-1.
Измеряемая э. д. с. усиливается реостатным
усилителем на лампе 6Ж7 и выпрямляется не-
посредственно в сеточной цепи лампы 6Е5. Ре-
гулировка чувствительности осуществляется пе-
ременным сопротивлением, шунтирующим цепь [
сетки ла'мпы 6Е5. I
Питание усилителя и лампы 6Е5 произво- [
дится от сети переменного тока через выпрями-
тель на лампе 6Н7. Для уменьшения j
помех от цепей накала ламп, средняя
точка обмотки накала (в питающем |
трансформаторе) заземлена.
Чувствительность лампы 6Е5 с но- |
добным усилителем может достигать |
1—2 мв на 10° раствора сектора «ма-
гического глаза».
Примером использования усилителя, (
в котором приняты радикальные меры
по уменьшению помех, т. .е. по умень-
шению нижнего порога чувствительно-
сти, может служить усилитель Ф-50
(фиг. 19-2) моста МДП, служащего
для измерения емкости и диэлектрине-I
ских потерь изоляционных материалов I
и конденсаторов. На выходе усилителя вклю-
чен резонансный гальванометр типа 1ВГ.
Входной трансформатор с коэффициентом i
трансформации 50 имеет тройной экран из пер-1
маллоя. Усилитель, выполненный на двух лам-
пах 6Ж7, также заключен в экран из мягкой (
стали. Питающее устройство с выпрямителем j
на лампе 6Н7 имеет отдельный экран, что-'
уменьшает помехи от питающего устройства
на цепь усилителя. Наконец, провода-от вход-1
кого трансформатора к усилителю и от усили-1
теля к незаземленному зажиму резонансного
гальванометра также экранированы.
Следует отметить, что питание накала обеих
ламп 6Ж7 осуществлено от отдельных обмоток
питающего (силового) трансформатора.
В усилителе предусмотрена возможность ча-
стичной компенсации одних помех другими.!
Изменяя при помощи делителя с заземлен-
ным движком фазу помех, обусловленных то-
ками утечки через емкость от нагревателя на
катод первой лампы усилителя, можно добить-1
ся того, что эти помехи будут в противофазе
с результирующей э. д. с. остальных помех,;
благодаря чему общее влияние помех резко
снижается.
Делитель напряжения /?2 служит для плав-
ной регулировки чувствительности (коэффи-
циента усиления). Наибольший коэффициент)
усиления в данном усилителе ограничен поме-:
хами и равен примерно 60. Резонасный галь-
ванометр имеет чувствительность к напряже-1
нию, равную примерно 5 • 1СЕ2 мм/мкв; общая
же чувствительность гальванометра с усили-
телем достигает 2—3 мм/мкв.
Если измеритель работает в неравновесной
цепи, то для постоянства коэффициента уси-
ления усилителя необходимо прибегать к ста- Л
билизации напряжения источников питания и
вводить в цепь усилителя глубокую отрица-
тельную обратную связь.
разность выходных напряжений обоих усили-
телей, т. е. на разность падений напряжения,
на сопротивлениях R.
В симметричной цепи имеет место суще-
ственная компенсация помех в цепи одной
лампы помехами в цепи другой лампы. При
равновесном режиме (т. е. когда измеритель
служит указателем равновесия) на работу цепи
не оказывают влияния колебания напряжения
Фиг. 19-2. Схема усилителя Ф-50 моста типа МДП
Примером усилителя, в котором приняты
меры для постоянства коэффициента усиления,
является усилитель измерительной цепи про-
волочного тензометра, описанный в § 28-1
(фиг. 28-3).
Усилители постоянного тока в сочетании
с измерителями. В усилителях постоянного то-
ка помехи, выражающиеся как в кратковре-
менных изменениях анодного тока (флуктуа-
ции, шумы), так и в длительных изменениях
анодного тока (сползание, уход уровня) и
определяющие нижний порог чувствительности,
играют особо важную роль, так как борьба
с ними крайне затруднительна.
Поэтому при измерениях малых постоянных
э. д. с. весьма часто прибегают к преобразова-
нию постоянной э. д. с. в переменную с тем,
чтобы иметь возможность использовать усили-
тель переменного тока. Подобный прием
использован, например, в ламповых компенса-
торах типа ЭПП, ЭПД и т. д. (см. § 24-5).
Уменьшения влияния помех можно достиг-
нуть также применением симметричных усили-
тельных цепей. Простейшим примером подоб-
ной цепи с использованием только двух ламп
является цепь, изображенная на фиг. 19-3.
Лампы Л\ и Л2 образуют два симметричных
канала усиления; измеритель включается на
источников питания анодных цепей и накала
(в некоторых пределах).
Добиться полной симметрии обеих половин
цепи не представляется возможным, поэтому и
в равновесном режиме может оказаться необ-
Фиг. 19-3. Схема симметрич-
ного усилителя
ходимым стабилизировать напряжения источ-
ников питания усилителя и вводить глубокую
обратную связь.
При работе же измерителя в неравновесном
режиме применение этих мер совершенно не-
обходимо. Вследствие этого в ряде случаев для
питания измерительных усилителей постоянно-
го тока применяются аккумуляторные батареи.
§ 19-3. Усилители постоянного тока
с большим входным сопротивлением
Ряд преобразователей, как это отмечалось
в первой части книги, обладает весьма боль-
шим сопротивлением, достигающим 108—
1010 ом (пьезоэлектрические, ионизационные
преобразователи и преобразователи рН-метров
со стеклянным электродом). В этом случае
измеритель должен обладать весьма большим
входным сопротивлением, порядка 1010—
1013 ом.
Столь высоким входным сопротивлением
обладают электрометрические лампы, а также
бесцокольные миниатюрные пентоды типа 959
и 6Ж1Ж («жолудь»), работающие в электро-
метрическом режиме.
Фиг. 19-4. Кривые анодного и сеточного
тока в функции от напряжения на управ-
ляющей сетке
Электрометрические лампы в конструктив-
ном отношении характеризуются выводом сет-
ки к отдельному зажиму, помещенному в верх-
нем конце колбы лампы, что значительно
уменьшает сеточный ток через изоляцию сет-
ка — катод.
В отношении режима, электрометрические
лампы характеризуются пониженным напряже-
нием накала и анода, что ведет к уменьшению
сеточного тока, обусловленного фотоэффектом
(от освещения сетки, накаленной нитью нагре-
вателя) и эффектом ионизации (анодное на-
пряжение ниже потенциала ионизации). На-
пример, электрометрическая лампа ЭМ-2 (тет-
род) работает при напряжении накала 2 в (ток
накала равен 80 ма), анодном напряжении 10 в
и при напряжении катодной сетки 6 в. При
этом сеточный ток Jg~ 10-!3 а, крутизна лампы
S = 55 мка/в, внутреннее сопротивление ==
= 30 000 ом, а коэффициент усиления р-= 1,65.
Типичные кривые анодного и сеточного тока
электрометрической лампы в функции от на-
пряжения на управляющей сетке изображены
на фиг. 19-4. Как видно из фигуры, сеточный
ток становится равным нулю при потенциале
сетки, равном Ul0 . Если дать на сетку какой-
либо потенциал и затем отключить его, то с те-
* чением времени на сетке, благодаря сеточному
току, установится потенциал Uc0.
В самом деле, если заданный мгновенно
потенциал отрицателен относительно Uc0
(влево от UcQ), то электроны стекают с сетки
за счет отрицательного сеточного тока до
тех пор, пока потенциал сетки не станет
равным Uc0> при котором ток сетки прекра-
щается. Если же заданный на сетку потен-
циал положителен относительно Uc0 (вправо
от Uc0), то электроны будут накапливаться
на сетке за счет положительного сеточного
тока до тех пор, пока на сетке снова не уста-
новится потенциал, равный UcQ. Таким обра-
зом, потенциал Uc0 является потенциалом
устойчивого равновесия лампы, и поэтому
точку Ucn характеристики анодного тока
естественно выбрать как верхнюю граничную
точку рабочего диапазона характеристики.
Потенциал UcQ называют часто „потенциалом
свободной сетки“.
Нижнюю граничную точку в характери-
стике анодного тока естественно выбрать
в конце прямолинейного участка характери-
стики. Рабочий диапазон может в некоторых
пределах изменяться в зависимости от вели-
чины анодного напряжения и напряжения на-
кала, ибо потенциал 4/с0 свободной сетки за-
висит от этих величин. Кроме того, характер
кривой Ia=f(Uc) зависит от величины сопро-
тивления включенного в цепь анода. Иссле-
довав все эти факторы для конкретно исполь-
зуемой в схеме электрометрической лампы,
можно выбрать оптимальные значения (с точки
зрения максимального рабочего диапазона ди-
намической характеристики) напряжения на-
кала, анодного напряжения и нагрузочного
сопротивления в цепи анода. Для выпускае-
мых электрометрических ламп потенциал сво-
бодной сетки лежит в пределах от-— 1,5 до
— 2 в, а рабочий диапазон напряжения на
сетке равен 2,5 — 3,5 в (участок ab на
фиг. 19-4).
Для увеличения стабильности усилителей
с электрометрическими лампами применяют
сдвоенные электрометрические лампы с общим
катодом. На фиг. 19-5,а показана схема рас-
положения электродов этой лампы.
Общий катод К окружен' катодной сеткой
КС, за которой расположены управляющие
сетки: УСЬ закрепленная на отдельном вы-
воде в верхней части колбы, и УС2, вывод ко-
торой помещен в цоколе лампы. За управляю-
щими сетками помещены два анода Л] и А2.
о-40
Фиг. 19-5. Схема включения
лампы „жолудь* й качестве
электрометрической лампы
Измеряемое напряжение (рис. 19-5,6)
приключается к управляющей сетке УС{. На
вторую (симметричную) сетку УС2 подается
отрицательный потенциал порядка 3—3,5 в.
Рабочий участок статической характери-
стики лампы от 1,8 до 5 в. Сеточный ток
лампы порядка 2-г 3-10”15 а. Внутреннее
сопротивление лампы R. = 200—300 ком,
коэффициент усиления у.= 1-т-1,2. Крутизна—-
4 — 6 мка/в.
Пример включения пентода «жолудь» в ка-
честве электрометрической лампы показан на
фиг. 19-5,в. Эти лампы, имеющие пентодную
систему электродов, отличаются высокой изо-
ляцией последних; все электроды крепятся не-
посредственно на вводах, впаянных в стеклян-
ный баллон с высокой изоляцией. Поэтому все
три сетки этих ламп можно включить таким
образом, чтобы лампы работали в электромет-
рическом режиме. На управляющую сетку С|
(фиг. 19-5,в), ближайшую к катоду, задают
небольшой постоянный положительный потен-
циал (1—2 в). Экранная сетка С2 включается
как катодная сетка; на нее подается положи-
тельный потенциал, равный 6—8 в. Третья,
антидинатронная, сетка Сз включается вместо
управляющей сетки на измеряемое напряжение
и, таким образом, находится под небольшим
отрицательным потенциалом. Анод лампы на-
ходится под положительным потенциалом, рав-
ным 6—8 в. Напряжение накала ламп равно
0,5 в для лампы 959 и 2,5 в для лампы 6Ж1Ж.
При этих условиях сеточный ток ламп «жо-
лудь» может быть снижен до 10~13 а, что обес-
печивает возможность применения таких ламп
в качестве электрометрических.
Следует отметить, что анодный ток ламп
«жолудь» достигает лишь нескольких десятков
микроампер, тогда как анодный ток электро-
метрических ламп может достигать сотен мик-
роампер.
При работе с электрометрическими лампа-
ми и с лампами «жолудь» следует обращать
особое внимание на постоянство потенциалов
всех электродов, так как анодный ток в значи-
тельной степени зависит от этих потенциалов.
Для получения устойчивого режима элек-
трометрических ламп необходимо тренировать
их в рабочем режиме примерно в течение не-
дели.
Приведем несколько принципиальных схем
измерительных цепей с электрометрическими
лампами.
На фиг. 19-6 показана цепь с электромет-
рической лампой pH-метра со стеклянным элек-
тродом. Двойной переключатель ПаЬ имеет
три позиции. В положении переключателя на
контакте 1 сетка лампы соединяется с напря-
жением смещения Uу, реостатом R\ устанавли-
вается потенциал свободной сетки. Регули-
ровкой реостата R2 компенсируется анодный
ток, соответствующий потенциалу свободной
сетки, и стрелка измерителя в анодной цепи
устанавливается на нуль. Для компенсации на-
чального анодного тока использована батарея
накала.
Положение II переключателя служит для
регулировки'чувствительности прибора. В этом
положении на управляющую сетку дополни-
тельно к потенциалу свободной сетки приклю-
чается напряжение, равное 200 мв; при этом
измеритель Г\ должен дать конечное откло-
Ех
Фиг. 19-6. Принципиальная схема измерительной цепи лампового
вольтметра прибора для измерения pH
нение — 200 делений; регулировка чувствитель-
ности осуществляется шунтом RM. Если рабо-
чий участок характеристики лампы линейный,
то шкала прибора также линейная, и чувстви-
тельность прибора равна 1 дел/мв.
После регулировки чувствительности пере-
ключатель переводится в положение III; тем
Фиг. 19-7. Принципиальная схема измерительной цепи
лампового компенсатора прибора для измерения pH
самым измеряемая э. д. с. Ех включается на
сетку дополнительно потенциалу свободной
сетки. Если измеряемая э. д. с. превышает
200 мв, то стрелка измерителя выйдет за пре-
дел шкалы. В этом случае в цепь Ех включа-
ются катушки магазина сопротивления RM. Па-
дение напряжения в каждой катушке (всего
в магазине пять катушек) равно 200 мв. Если,
например, измеряемая э. д. с. равна 560 мв,
то включаются две катушки магазина RK,
а показания измерителя будут равны 160 мв.
Для установки рабочего тока в магазине
(при котором падение напряжения в катушке
равно 200 мв) служит аккумулятор U, нормаль-
ный элемент EN и нулевой гальванометр Г2.
При замыкании ключа П нормальный элемент
оказывается включенным навстречу падению
напряжения на сопротивлении R.j-r
последнее рассчитано таким образом,
чтобы при рабочем токе падение на-
пряжения на этом сопротивлении рав-
нялось э. д. с. нормального элемента
(1,0183 в). Регулировка рабочего тока
производится реостатом Р4.
На фиг. 19-7 показана компенса-
ционная измерительная цепь с элек-
трометрической лампой pH-метра с»
стеклянным электродом.
Переключатель ГЦ в положении I
позволяет установить реостатом
(при замкнутом ключе 172) потенциал
свободной сетки, т. е. то напря-
жение смещения U с, при котором се-
точный ток равен нулю. После этого пере-
ключатель П। переводится в положение II, тем
самым к сетке лампы приключается измеряе-
мая э. д. с. Ех; переключатель /7Я находится
при этом в положении III. Перемещая движок
реохорда Rp, необходимо снова придти к по-
тенциалу свободной сетки, о чем будет сви-
детельствовать показание измерителя в анод-
ной цепи, соответствующее этому потенциалу
сетки. Таким образом с реохорда будет сни-
маться напряжение, равное э. д. с. Ех и на-
правленное ей навстречу. Следовательно, каж-
дому значению Ех будет соответствовать опре-
деленное положение движка реохорда, и по-
следний может быть градуирован непосред-
ственно в единицах pH. Правильность уста-
новки движка реохорда необходимо проверить
переключением ГЦ в положение I; если пока-
зания измерителя при этом не изменятся, то
измерение проведено правильно, если изме-
нятся, то регулировку реохорда R надо по-
вторить.
Для того чтобы реохорд можно было гра-
дуировать в единицах ,э. д. с. или pH, необ-
ходимо поддерживать определенный ток (ра-
бочий ток) в реохорде, что выполняется при
помощи нормального элемента EN, включае-
мого в цепь сетки вместо Е при положении
/73 на контакте IV. Установив движок на ре-
охорде на делении, соответствующем э. д. с.
нормального элемента (1,0183 в), нужно регу-
лировкой реостата R2 уравновесить схему, т. е.
снова придти к потенциалу свободной сетки.
Само собой разумеется, что установка рабо-
чего тока в реохорде должна предшествовать
измерению Ех. После измерения Ех рекомен-
дуется проверить постоянство
Если желательно, чтобы
при потенциале свободной
сетки измеритель показывал
нуль, то необходимо скомпен-
сировать анодный хок, соот-
ветствующий потенциалу сво-
бодной сетки, для чего исполь-
зуется батарея UK, посылаю-
щая ток в измеритель, направ-
ленный навстречу анодному
току; регулировка нулевого по-
ложения измерителя (при по-
тенциале свободной сетки) про-
изводится реостатом R,.
Для питания рабочей цепи
реохорда обычно достаточно
аккумулятора U на 2 в. Рео-
хорд целесообразно разделить
на 150 делений; каждое деле-
ние соответствует 0,01 в; таким образом,
предел измерения равен 1,5 в.
Работа описанных цепей в значительной сте-
пени зависит от постоянства тока накала ка-
тода и анодного напряжения; при изменениях
этих величин меняется потенциал свободной
сетки, т. е. нулевая отметка шкалы реохорда.
В качестве примера включения электроме-
трической лампы с усилителем анодного тока
этой лампы, на фиг. 19-8 показана измеритель-
ная цепь прибора с пьезоэлектрическим преоб-
разователем, электрометрической четырехэле-
ктродной лампой и одной ступенью усиления.
Цепь питается от аккумуляторных батарей.
Отрицательный заряд с кварца Кв подается
на управляющую сетку электрометрической
лампы Лэ. Конденсатор С служит для регули-
ровки предела измерения всего прибора. Клю-
чом К на управляющую сетку включается (до
приложения к преобразователю измеряемой
силы Р) напряжение смещения, приблизительно
равное потенциалу свободной сетки. Регули-
ровка напряжения смещения .Uс производится
реостатом /?4, а напряжения накала UH— рео-
статом /?5. Напряжение катодной сетки Uкс
и анодное напряжение Ua берутся от ответвле-
ний батареи на 12 в. Реостат R\ служит для
регулировки рабочей точки усилительной лам-
пы Л . Напряжение на сетку усилительной
лампы снимается с нагрузочного сопротивле-
ния R2, включенного в анодную цепь лампы-эле-
ктрометра. Сопротивление /<3— утечка сетки
усилительной лампы. Батарея UK служит для
компенсации'начальной постоянной составляю-
щей анодного тока в вибраторе Г осцилло-
Фиг. 19-8. Схема измерительной цепи с электрометрической лампой
прибора с пьезоэлектрическим преобразователем
графа. Установка на нуль отклонения вибра-
тора производится, при отсутствии давления на
кварц, реостатом R6.
Применение динамических конденсаторов.
Для усиления постоянного тока при требова-
нии большого входного сопротивления усили-
теля могут быть использованы усилители пере-
менного тока в сочетании с емкостными дина-
мическими преобразователями (динамическими
конденсаторами), преобразующими малые по-
стоянные токи в переменные.
Принцип действия емкостных динамических
преобразователей иллюстрирует фиг. 19-9. Кон-
денсатор образуется одной неподвижной пла-
стиной «1 и другой пластиной а2, колеблющейся
под воздействием электромагнита переменно-
го тока с катушкой возбуждения КВ. На
фиг. 19-9,а подвижная пластина конденсатора
выполнена в виде консольно укрепленного
язычка, а на фиг. 19-9,6 — в виде мембраны.
Буквами В — В обозначены выводы к усили-
телю переменного тока. Буквами РВ обозначен
винт, регулирующий положение подвижной
пластины.
Амплитуда колебания подвижной пластины
конденсатора определяется жесткостью язычка
или мембраны, а частота колебаний равна ча-
стоте переменного тока в катушке К.В и может
достигать тысяч герц (благодаря отсутствию
механических контактов).
Входное сопротивление усилителя с дина-
мическим конденсатором достигает 1012—
1014 ом.
Напряжение U на обкладках конденсатора
равно:
где q— заряд конденсатора;
С — емкость конденсатора.
Фиг, 19-9. Принцип устройства емко-
стных динамических преобразовате-
лей
Если емкость конденсатора изменяется по
закону С = Со + Ci sin шт, где Со — средняя за
период емкость и Ct << Со, то будем иметь:
б*о sin^r
Разлагая знаменатель в ряд и ограничиваясь
первыми двумя членами разложения (так как
Ci<<C0), получим:
1 — sin фт\ = Uo (1 — К sin шт),
где Ц, —среднее за период напряжение на
конденсаторе;
Д— коэффициент, меньший единицы и
характеризующий глубину модуляции
емкости.
Амплитуда переменной слагающей напря-
жения, воздействующей на сетку первой лампы
усилителя, равна KJJo', поэтому значение К, не-
обходимо поддерживать неизменным.
Постоянство значения Д зависит, по суще-
ству, от постоянства режима работы механизма
возбуждения колебаний подвижной обкладки
конденсатора. Избежать зависимости от по-
стоянства К можно, используя нулевые цепи
или цепи с отрицательной обратной связью
[Л. 85].
В качестве примера нулевой (компенсаци-
онной) измерительной цепи, на фиг. 19-10 по-
казана цепь с динамическим конденсатором
pH-метра (со стеклянным' электродом), чувст-
вительность которого равна 0,01 единиц pH.
Изменению pH на 0,01 соответствует измене-
ние напряжения на зажимах преобразователя,
равное 0,5 мв. Изменение расстояния между
пластинами динамического конденсатора Сд та-
ково, что колебания емкости достигают V3 ее
„ 1
среднего значения, т. е. значения Д = д-, и
амплитудное значение переменной составляю-
щей напряжения на конденсаторе равно 1!3 от
измеряемого напряжения Ux.
Фиг. 19-10. Компенсационная цепь рН-метра
с динамическим конденсатором
Действующее значение получаемого пере-
менного напряжения равно |--^== 0,2317. Та-
ким образом, на входную лампу усилителя пе-
ременного тока включается напряжение, рав-
ное 0,23-0,5=0,115 мв. Так как в качестве
измерителя НГ на выходе усилителя в опи-
сываемой измерительной цепи использован элек-
тронно-лучевой прибор (лампа 6Е5), то преду-
смотрено две ступени усиления на высокоча-
стотных пентодах (общее усиление по напря-
жению—10000 раз).
Цепь работает на принципе компенсации
измеряемого напряжения Ux напряжением U к
компенсирующей батареи. Если движок рео-
стата /?] сдвинут в крайнее правое положе-
ние, то UK — Q, и напряжения на конденсато-
рах Са и Сд определяются распределением за-
ряда q от измеряемого напряжения Ux.
Заряд qg на конденсаторе Сд равен:
Са
^-1сд+са’
а заряд qa на конденсаторе Са равен:
Са
У Сд + Сд '
Под действием заряда qg на обкладках ди-
намического конденсатора появится перемен-
ное напряжение, что вызовет изменение ши-
рины луча лампы 6Е5 (нулевого указателя).
Будем теперь перемещать движок реостата АД
влево до тех пор, пока измеритель НГ не по-
кажет отсутствия тока; это может иметь место
лишь при отсутствии переменной составляющей
напряжения на динамическом конденсаторе,
т. е. если суммарный заряд на конденсаторе Сд,
обусловленнный напряжениями Ux и UK, равен
нулю. Заряд, обусловленный напряжением UK,
можно выразить как
Яа = ик
саса
са±са
Таким образом, если суммарный заряд на
динамическом конденсаторе равен нулю, то
, саса
“Сд + Са
откуда
q = — U С .
— к а
Иначе говоря, заряд q, а следовательно, и
измеряемое напряжение Ux однозначно опре-
деляются напряжением UK и не зависят от не-
постоянства коэффициента К. глубины модуля-
ции емкости.
Следует отметить, что при измерении на-
пряжений порядка 0,1 мв необходимо счи-
таться с разностью потенциалов выхода элек-
тронов с обеих обкладок конденсатора. Даже
однородные пластины из чистого металла
имеют потенциалы выхода, отличающиеся на
десятки милливольт, так как их кристалли-
ческие структуры не строго идентичны, газо-
вый покров поверхностей разный и т. п. Эта
разность потенциалов должна быть также
скомпенсирована напряжением U . Для этого
можно шунтировать реостат другим рео-
статом /?2 (на фиг. 19-10 показан пунктиром),
движок которого следует заземлить. При вы-
ключенном Ux и при положении движка рео-
стата в крайнем правом положении можно
скомпенсировать разность потенциалов выхода,
перемещая движок R2. Только после этого
включается Ux и производится окончательная
компенсация путем перемещения движка рео-
стата /?].
Усилительные лампы работают со свобод-
ной сеткой. Чтобы потенциал покоя этой сетки
первой лампы не влиял на потенциал непо-
движной пластины Се, в цепь управляющей сет-
ки надо включить конденсатор (Д с высокой
изоляцией.
Резонансные контуры в усилителе настро-
ены на частоту, равную частоте колебания
подвижной пластины динамического конден-
сатора. Эта частота в описываемом приборе
выбрана равной 125 гц. При питании усили-
теля от сети частотой 50 гц, гармоники в 100
и 150 гц оказываются одинаково удаленными
от резонансной частоты усилителя (от 125 гц).
Благодаря этому уменьшается влияние гар-
моник на выходное напряжение.
§ 19-4. Выбор измерителя
с точки зрения его мощности
При выборе изм’ерителя, кроме вопроса со-
гласования его сопротивления с сопротивления-
ми измерительной цепи, важное значение имеет
вопрос о мощности измерителя, ибо мощность,
которую может получить измеритель при за-
данном изменении измеряемой величины, мо-
жет быть самой различной, в зависимости от
типа и габаритов преобразователя, от измене-
ния его электрического параметра, от выбран-
ной измерительной цепи, от режима его ра-
боты.
С точки зрения мощности, преобразователи
в самом первом приближении можно разбить
на три группы.
К наиболее мощным преобразователям сле-
дует отнести индуктивные, магнитоупругие,
индукционные, контактные, реостатные, с уголь-
ными шайбами, термосопротивления. Если
учесть обычные измерительные цепи, в которых
работают упомянутые преобразователи, то
мощность, которую можно получить в измери-
теле при использовании подобных преобразова-
телей, можно характеризовать цифрой порядка
единиц и до десятков милливатт. Можно при-
нять, что за. исключением "случаев, когда
используются особо малогабаритные преобра-
зователи, приборы с перечисленными преобра-
зователями могут работать без ламповых уси-
лителей, с измерителями непосредственной
оценки в статическом режиме и с вибраторами
в динамическом режиме.
Во вторую группу преобразователей можно
включить фотоэлектрические, емкостные и про-
волочные преобразователи. В приборах с эти-
ми преобразователями мощность, получаемая
измерителем, не превышает десятков микро-
ватт, что вызывает необходимость использова-
ния ламповых усилителей. Лишь в статическом
режиме работы проволочных преобразователей
и фотоэлементов вентильного типа возможно
использование, в качестве измерителей непо-
средственной оценки, магнитоэлектрических
микроамперметров.
Наконец, в третью группу можно объеди-
нить пьезоэлектрические и ионизационные пре-
образователи, преобразователи pH-метров со
стеклянным электродом, работающие с измери-
телями, обладающими весьма большим вход-
ным сопротивлением.
Ниже сопоставлены различные измерители
и указатели равновесия с точки зрения расхода
мощности в них при отклонении стрелки (или
светового пятна) на всю шкалу.
1. Ферродинамические миллиам-
перметры ....................
2. Термоэлектрические миллиам-
перметры ....................
3. Термоэлектрические миллиам-
перметры с вакуумной термо-
парой .......................
4. Магнитоэлектрические само-
писцы . с записью пером . . .
5. Выпрямительные миллиампер-
метры .......................
6. Магнитоэлектрические милли-
амперметры, милливольтметры
и логометры на керн ix . . . .
7. Специальные магнитоэлектри-
ческие милливольтметры на
кернах (для термопар) . . . .
8. То же на растяжках (СП) . . .
9. Гальванометры (на кернах) . .
1,0. Зеркальные гальванометры
(М-21)........................
11. Специальные гальванометры,
чувствительные к напряжению
(ГПЗ-В, ReH =20 ом)............
12. Специальные гальванометры,
чувствительные к току (ГДЗ-А,
ReH — 1000 ом).................
13. Резонансный гальванометр ВГ
14. Телефон (порог чувствительно-
сти на частоте 1000 гц) ... .
15. Усилители постоянного тока
(при входном напряжении 1 в)
16. Усилители переменного тока
(при входном напряжении 1 в)
17. Специальные усилители пере-
менного тока (Ф-50)............
18. Специальные усилители посто-
янного тока (с входной электро-
метрической лампой при вход-
ном напряжении 1 в)............
600 — 40 мет
100—30 ,
20-6 ,
80-15 ,
100—3 ,
2-0,9 ,
(204-2)-10-е вт
1,5-10-6
(24-0,5)-10-е „
от (1504-100)-10"12 .
до 2,5-10-12 » I
500-10-12
0,6-10-12
210-12
0,01-10-84- .
4-0,1-10-12 ,
(14-0,01)-10-е ,
(14-2)-IO-» . j
(0,24-0,5)-IO"» ,
до 0,1-10-12 ,
Глава двадцатая
ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
§ 20-1. Общие соображения
В электрических приборах для измерения
неэлектрических величин часто используются
цепи, выполняющие функции преобразования
частоты. В ряде случаев применяется преобра-
зование постоянного тока (нулевой частоты)
в переменный ток. Подобное преобразование
используется в целях применения усилителей
переменного тока для усиления измеряемых по-
стоянных э. д. с., * например, в автоматических
ламповых компенсаторах (см. § 20-3).
Весьма часто используется обратное преоб-
разование переменного тока в постоянный ток
(выпрямление), что необходимо во всех слу-
* С той же целью находит себе применение пре-
'образоваиие переменного тока низкой частоты в пере-
менный ток более высокой частоты.
чаях, когда в качестве выходного прибора
измерительных цепей переменного тока исполь-
зуется магнитоэлектрический прибор или
осциллограф.
Указанные преобразования частоты выпол-
няются либо при помощи электромагнитных
(вибрационных) преобразователей, либо при
помощи вакуумных или полупроводниковых
диодов (вентилей), а также при помощи более
сложных ламп.
Электромагнитный преобразователь пред-
ставляет однополюсный поляризованный элек-
тромагнитный переключатель на два направ-
ления (фиг. 20-1). Он состоит из постоянно-
го магнита 1, катушки возбуждения 2, питае-
мой переменным током чаще всего частотой
50 гц, и якоря 5, расположенного между полю-
сами магнита и закрепленного одним концом
в точке А. Переменное поле катушки возбуж-
дения перемагничивает, т. е. меняет полярность
якоря, вследствие чего последний притягивает-
ся то к одному, то к другому полюсу постоян-
ного магнита и замыкается при этом поочеред-
Фиг. 20-1. Электромагнитный
преобразователь
но, с частотой переменного тока, на неподвиж-
ные контакты 3 и 4, расположенные слева и
справа от якоря.
Собственная частота якоря должна быть
значительно выше, чем частота переменного то-
ка в обмотке возбуждения (частота переклю-
чения). Это обстоятельство ограничивает ча-
стоту переключения. Собственная частота яко-
ря описанного выше электромагнитного пре-
образователя равна 80—90 гц.
Зависимость сопротивления электромагнит-
ного преобразователя от управляющего напря-
жения изображена на фиг. 20-2. Отрицатель-
ные напряжения соответствуют разомкнутым
контактам, а положительные напряжения замк-
нутым контактам. При разомкнутых контактах
сопротивление определяется качеством изоля-
9 А. М. Туричин.
ции и практически равно бесконечности (по-
рядка 1010 ом), а при замкнутых контактах со-
противление равно нулю. Порог чувствитель-
ности электромагнитных преобразователей
практически близок к нулю (0,1—1 мкв).
Вакуумные диоды ха-
рактеризуются следующи-
ми параметрами. Сопро-
тивление запертого диода
равно примерно 108—
1010 ом, открытого — по-
рядка 1000 ом. Для полу-
чения меньших значений
прямого сопротивления
(500—200 ом) нередко ис-
пользуются более слож-
ные лампы в диодном
включении.
Зависимость сопротив-
Фиг. 20-2. Зависимость
сопротивления элек-
тромагнитного преоб-
разователя от управ-
ляющего напряжения
ления вакуумного диода от анодного напряже-
ния изображена на фиг. 20-3,а, а вольтампер-
ная (анодная) характеристика на фиг. 20-3,6.
Излом характеристики имеет экспоненциаль-
ный характер; проводящий участок характери-
стики имеет форму степенной функции. Таким
Фиг. 20-3. Зависимость сопро-
тивления от напряжения и
вольтамперная характеристика
вакуумного диода
образом, порог чувствительности определяется
диапазоном напряжений, соответствующих уча-
стку экспоненциального излома характери-
стики.
Крутизну излома вольтамперной характери-
стики можно несколько увеличить путем умень-
шения тока накала диода.
К недостаткам вакуумных диодов следует
отнести наличие анодного потенциала до 1 в
(обусловленного эмиссией нагретого катода)
при анодном напряжении, равном нулю. Этот
анодный потенциал зависит от температуры ка-
тода, а следовательно, от тока накала.
Полупроводниковые диоды находят весьма
широкое распространение в цепях, служащих
для преобразования частоты, благодаря своим
малым размерам и простоте устройства.
Фиг. 20-4. Зависимость сопротивления от напряжения
и вольтамперная характеристика полупроводникового
диода
В измерительной технике используются,
в основном, меднозакисные диоды. Зависимость
их сопротивления от приложенного напряже-
ния изображена на фиг. 20-4,а, а вольтампер-
ная характеристика на фиг. 20-4,6.
Значения прямого и обратного сопротивле-
ний определяются размерами меднозакисных
пластин и зависят от температуры. Отношение
обратного к прямому сопротивлению, называе-
мое обычно коэффициентом выпрймления, на
линейном участке вольтамперной характери-
стики достигает 1000 и выше. Например, для
меднозакисных шайб диаметром 18 мм прямое
сопротивление равно 4—6 ом, а обратное со-
противление равно 5000—>6000 ом, что соответ-
ствует коэффициенту выпрямления, равному
1000—1100.
Нелинейный участок характеристик у полу-
проводниковых диодов еще больше, чем у ва-
куумных диодов.
Электромагнитные (вибрационные) преоб.-
разователи являются управляемыми преобразо-
вателями, ибо изменением фазы напряжения
цепи возбуждения, как Это будет более под-
робно изложено ниже, можно управлять мо-
ментом замыкания контактов.
Вакуумные и полупроводниковые диоды
являются неуправляемыми преобразователями
частоты, ибо рабочий (используемый) участок
характеристик определяется только измеряе-
мым напряжением (током). Однако, если
В цепь диода ввести дополнительное напряже-
ние, которое позволит регулировать (переме-
щать) рабочий участок характеристики неза-
висимо от измеряемого напряжения (тока), то
диоды могут быть сделаны управляемыми.
§ 20-2. Цепи с неуправляемыми диодами
Неуправляемые диоды могут работать
только в качестве выпрямителей; преобразова-
ния постоянного тока в переменный ими осуще-
ствить невозможно.
Рассмотрим свойства цепей с неуправляе-
мыми выпрямителями на примере использова-
ния их в приборе с индуктивным дифферен-
циальным преобразователем.
На фиг. 20-5 показана схема мостовой цепи
включения преобразователей (см. § 22-2 и
22-3). В измерительную диагональ включен
мост из четырех диодов; * измеритель вклю-
чен в диагональ выпрямительного моста; Пр
обозначены катушки дифференциального пре-
образователя.
Вблизи равновесия цепи выпрямители ра-
ботают на начальном, нелинейном участке
Фиг. 20-5. Мостовые цепи с
выпрямительным мостиком
в измерительной диагонали
вольтамперной характеристики диодов при^
малых значениях коэффициента выпрямления]
Для того чтобы постоянный ток 1п в изме-|
рителе (при нулевом значении измеряемой ве-г
личины) был равен нулю, необходимо, чтобы(
ток /„„был равен нулю. Но ток /вп равен *
/ = / — /. ;
вп а Ь’
s
* Изложенное в настоящей главе относится кай
к полупроводниковым, так и к вакуумным диодам, оди{
каково обозначаемым знаком —£>|— )
иначе говоря, при равновесии- цепи токи 1а и
1Ь должны быть равны между собой как <по
величине, так и по фазе; следовательно, урав-
новешивание цепи должно производиться двумя
элементами (нафиг. 20-5 г и х). Следует отме-
тить, что в том случае, когда плечи моста
содержат катушки со стальными сердечни-
ками, цепь трудно уравновесить и при наличии
двух регулируемых элементов. При синусо-
идальном приложенном напряжении U токи 1а
и 1Ь, как известно, при наличии стальных сер-
дечников не будут синусоидальными, вслед-
ствие чего при равновесии цепи по первой
гармонике она может оказаться неуравновешен-
ной по всем остальным гармоникам. В случае,
например, индуктивного дифференциального
преобразователя ток в измерителе может,
следовательно, не быть равным нулю, а иметь
значение/0 и в среднем положении якоря. Это
обстоятельство вызывает не только затруд-
нение при уравновешивании цепи (нахождение
минимального отклонения измерителя), но' и
увеличивает нелинейность (сжатость) шкалы
в ее начале.
Направление выпрямленного тока I , как
это видно из фиг. 20-5, не зависит от фазы
тока 1еп; следовательно, измеритель будет
отклоняться в ту же сторону при любом знаке
изменения измеряемой величины (в случае ин-
дуктивного преобразователя при любом знаке
отклонения якоря от среднего положения).
Таким образом, характеристика цепи фиг. 20-5
может быть представлена графиком фиг. 20-6,
в котором I — ток, протекающий через изме-
ритель, a F — измеряемая неэлектрическая
величина. Рабочим участком характеристики
оказывается участок от — FH0M №-\-FH0M. Ток
/0 является выпрямленным током высших гар-
моник.
Зависимость показаний измерителя от изме-
нения напряжения U источника тока опреде-
ляется основной измерительной цепью: выпря-
мительный узел практически не вносит допол-
нительной погрешности от колебания напряже-
ния источника тока.
Суммируя все сказанное* выше о свойствах
цепей типа фиг. 20-5, видим, что подобная цепь
выпрямления мало пригодна для использова-
ния ее в мостах и компенсаторах переменного
тока, главным образом, вследствие значитель-
ной нелинейности шкалы, обусловленной вы-
прямительным узлом, и трудности уравновеши-
вания цепи при нулевом значении измеряемой
неэлектрической величины.
Однако, при использовании значительного
участка характеристики диодов, можно нели-
нейную часть шкалы прибора свести к 25—
30% от длины шкалы.
Следует отметить также, что рассмотрен-
ную цепь с неуправляемыми диодами можно
использовать .таким образом, чтобы при равен-
стве нулю измеряемой величины, т. е. при
F — 0, мостовая цепь с преобразователем была
Фиг. 20-6. Кривая зависимости
выпрямленного тока Z„ от из-
меряемой неэлектрической
величины F
неуравновешена. В этом случае точка, соответ-
ствующая F— 0, выбирается в середине линей-
ной части характеристики таким образом, чтобы
во всем диапазоне изменения F^OT-f-F^flo
— ток^„ в измерителе изменялся полиней-
ной части характеристики. ЧВ этом случае ток
1п при изменении знака F будет также изме-
нять свой знак.
§ 20-3. Цепи с электромагнитными
(вибрационными) преобразователями
Электромагнитные преобразователи могут
быть использованы как для преобразования
постоянного тока в переменный, так и для
обратного преобразования переменного тока
в постоянный.
В качестве примера преобразования элек-
тромагнитным преобразователем постоянного
тока в переменный на фиг. 20-7 показана часть
цепи (до усилителя) автоматического компен-
сатора типа ЭПП-09.
Измеряемая э. д. с. Ех постоянного тока
уравновешивается напряжением на измеритель-
ной диагонали моста, образованного сопротив-
лениями /?2, Rp, R4.
Э. д. с. неравновесия &ЕХ при помощи
электромагнитного преобразователя включается
то на верхнюю, то на нижнюю половину пер-
вичной обмотки трансформатора; переключение
э. д. с. &ЕХ происходит с частотой напряже-
ния, питающего обмотку возбуждения электро-
магнитного преобразователя.
На ’ вторичной обмотке трансформатора
возникает при этом переменная э. д. с., позво-
ляющая использовать для ее усиления лампо-
Фиг. 20-7. Часть измерительной цепи (с элек-
тромагнитным преобразователем) автоматиче-
ского компенсатора ЭПП-09
вый усилитель переменного тока. Конденсатор
С, рассчитанный из условия резонанса вторич-
ной цепи на частоте переключения, позволяет
получить практически синусоидальное напряже-
ние на сетке первой лампы усилителя, несмо-
тря на импульсный характер индуктируемой
во вторичной обмотке э. д. с.
Так как сопротивление вторичной обмотки
трансформатора выгодно согласовать с весьма
большим сопротивлением сетка — катод пер-
Фиг. 20-8. Схема включения электромагнитного
преобразователя в качестве выпрямителя
вой лампы усилителя, то коэффициент транс-
формации следует выбирать достаточно боль-
шим с тем, чтобы число витков вторичной
обмотки было возможно больше.
Стремление увеличивать число витков вто-
ричной обмотки трансформатора ограничено
как соображениями конструктивного характе-
ра, так и возрастанием с ростом числа витков
распределенной емкости обмотки.
Практически удается увеличивать сопро-
тивление цепи вторичной обмотки только при-
мерно до 50 000—200 000 ом, что при сопро-
тивлении цепи первичной обмотки, равном, на-
пример, 2 ом, приводит к возможности увели-
чения коэффициента трансформации до
„=/«^300.
При использовании электромагнитного пре-
образователя для преобразования переменного
тока в постоянный (фиг. 20-8), т. е. в каче-
стве выпрямителя, наиболее интересным его
свойством является фазочувствительность, так
как величина и полярность выпрямленного то-
Фиг. 20-9. Диаграмма работы
электромагнитного выпрямителя
ка оказываются зависящими от соотношения
фаз выпрямляемого тока и управляющего на-
пряжения.
Если выпрямляемый ток совпадает по фазе
с управляющим напряжением и <сли собствен-
ная частота якоря контактного устройства
достаточно высока по сравнению с частотой
выпрямляемого тока, то контакты будут замы-
каться и размыкаться точно в моменты про-
хождения тока I через нуль (фиг. 20-9, а), и
через измеритель пойдет постоянный ток, опре-
деляемый средним значением тока 1п за период
(т. е. заштрихованной площадью). В этом слу-
чае постоянный ток 1п будет равен половине
среднего значения переменного тока за поло-
вину периода, т. е.
Л = 4 /^ = Т/Ц^-=0,457, (20-1)
где / — действующее значение переменного
тока.
Допустим теперь, что управляющее напря-
жение Ur (фиг. 20-8) так сдвинуто по фазе отно-
сительно измеряемого тока i — IMaKCsinwt, что
при сохранении продолжительности замыка-
ния (и размыкания) равной Т/2, замыкания
и размыкания будут производиться со сдвигом
во времени по отношению к току i, равным
ф/ш (фиг. 20-9,6). Тогда постоянная состав-
ляющая тока /П, проходящего через измери-
тель, будет выражаться как
Ф/® + т/2
ln ===T~ 1 макс Sin ~
и j I jKw/t-Cz
ф/со
1/2/2 , п ._ ,
-к-—cos ф = 0,45 /cos ф.
2 тс 1 *
(20-2)
Таким образом, в зависимости от фазы вы-
прямляемого тока чувствительность выпрями-
теля оказывается различной; при ф~0 или
2« чувствительность оказывается максималь-
ной и положительной, а при ф = — макси-
мальной и отрицательной. При ф = ± те/2
(фиг. 20-9,в) постоянная составляющая тока в
измерителе равна нулю, что соответствует
нулевой чувствительности.
Если же измеряемый ток имеет произ-
вольную фазу, то постоянная составляющая
выпрямленного тока равна проекции вектора
этого тока на направление максимальной чув-
ствительности.
Таким образом, уравнение (20-2) является
общим выражением для зависимости выпрям-
ленного тока от действующего значения изме-
ряемого тока.
При измерении тока или напряжения угол ф
целесообразно выбрать равным нулю, так как
в этом случае показания измерителя будут
наибольшими. Для этого управляющее напря-
жение берут от фазорегулятора, и ротор фазо-
регулятора поворачивают до тех пор, пока по-
казания измерителя, увеличиваясь, не достиг-
нут максимума (после которого, при дальней-
шем повороте ротора, начнут уменьшаться).
Этому положению ротора, т. е. фазы Ur, и со-
ответствует значение ф = 0.
Рассмотренная выше цепь фиг. 20-8 пред-
ставляет собой цепь однополупериодного вы-
прямления.
Как известно, существует ряд Цепей, позво-
ляющих осуществить двухполу пер иодное вы-
прямление. В этом случае в выражениях (20-1)
и (20-2) вместо коэффициента !/г будет коэф-
фициент 1, что в идеальном случае ведет
к увеличению постоянного тока измерителе
вдвое. Практически же такого увеличения чув-
ствительности при переходе однополупериодной
цепи к двухполупериодной в большинстве слу-
чаев не удается достигнуть, так как переход
на двухполупериодную цепь требует включения
дополнительных добавочных сопротивлений и
шунтов.
Способность электромагнитных выпрямите-
лей реагировать на изменение фазы измеряе-
мого тока (или напряжения) открывает ряд
возможностей, имеющих чрезвычайно важное
значение в технике электрических измерений
неэлектрических величин.
В частности необходимо отметить, что при-
менение фазочувствительного выпрямителя
в сочетании с магнитоэлектрическим прибором
позволяет решить вопрос о нулевом приборе
для мостовых и компенсационных цепей пере-
менного тока, реагирующем на знак изменения
измеряемой величины, что имеет особенно важ-
ное значение в технике регулирования.
Отметим также, что в некоторых случаях
может представить интерес так выбрать фазу
управляющего напряжения, чтобы выпрямитель
имел нулевую чувствительность к составляю-
щей тока с определенной фазой, т. е. исключал
эту составляющую. В подобном случае мож-
но, например, уменьшить погрешность, обус-
ловленную изменением активного сопротивле-
ния индуктивного преобразователя вследствие
колебаний окружающей температуры.
§ 20-4. Цепи с управляемыми диодами
’’Все изложенное в настоящем параграфе
относится как к вакуумным, так и к полупро-
водниковым диодам.
Цепи с управляемыми диодами можно раз-
делить на две группы:
а) цепи с диодами, работающими как по-
следовательно включенный ключ (или переклю-
чатель) ;
б) цепи с диодами, работающими как па-
раллельно включенный ключ (или переключа-
тель) ; ♦
Первые мы будем называть, краткости ра-
ди, цепями с последовательным ключом. Вто-
рые будем называть цепями с параллельным
ключом.
а) Цепи с последовательным ключом ис-
пользуются, в основном, как выпрямительные
цепи. Первая выпрямительная цепь, предло-
женная Л. И. Гутенмахером, принадлежала как
раз к цепям с последовательным ключом и
изображена на фиг. 20-10,а.
Фиг. 20-10. Выпрямительная
цепь Л. И. Гутенмахера
Чтобы уяснить действие этой цепи, поло-
жим, что управляющее напряжение постоянное
и равно Д-Ц., причем напряжение на каждом
из двух диодов Ur /2>Ux.
На фиг. 20-11 изображена вольтамперная
характеристика диода. Построение показывает,
что при совместном действии Uг /2 и Uгоба
выпрямителя открыты в течение обоих полу-
Фиг. 20-11. К вопросу о принципе действия цепи
с последовательным ключом
периодов Uх . Через измеритель протекает
переменный ток 1х. Если вместо -f- Ur вклю-
чить— Ur> то оба выпрямителя будут заперты,
и ток 1Х будет равен нулю.
Есл» управляющее напряжение переменное,
то при Uг > Ux выпрямители будут открыты
для тока 1х в течение одной полуволны этого
напряжения и закрыты в течение другой полу-
волны.
Таким образом, цепь фиг. 20-10, а можно
изобразить эквивалентной схемой фиг. 20-10,6.
Рассмотренная цепь является, следовательно,
однополупериодной цепью.
Среднее значение тока 1п будет опреде-
ляться не только прямым и обратным сопро-
тивлениями выпрямителей, но и сдвигами фаз
между Ur и Ux. Рассуждениями, аналогич-
ными приведенным выше, в § 20-3, мы придем
к выражению
1п — 0,45 /cos ф,
где ф — сдвиг фаз между Ur н Ux.
Дальнейшее развитие цепи Гутенмахера
в двухполупериодную приводит к весьма рас-
а)
6 6 6
7 2 3 •
Фиг. 20-12. Двухполупериодный переключатель на 1
диодах 5
пространенной, так называемой «кольцевой» Г
цепи диодов, действующей как двухполупериод- f
ный переключатель.
Принцип построения двухполупериодного ।
переключателя на диодах иллюстрирует |
фиг. 20-12,а, где четыре диода образуют «коль- I
цевую» цепь. В течение одного полупериода Ur f
открываются только диоды / и II и зажим 1 со- j
единяется с зажимом 2, отсоединяясь одновре- {
менно от зажима 3, что соответствует верхнему |
положению переключателя на фиг. 20-12,6. f
В течение второго полупериода открываются I
только диоды ///—IV и зажим I соединяется I
с зажимом <?, отсоединяясь от зажима 2, что |
соответствует нижнему положению переключа- |
теля на фиг. 20-12,5. j
Известны три варианта исползования коль- J
цевой цепи диодов, которые получаются пере- t
меной местами измеряемого, управляющего и |
выходного напряжений (фиг. 20-13, 20-14 и i
20-15). Буквами б на этих фигурах обозна- |
чены эквивалентные схемы с переключателем
напряжения.
Следует отметить, что в цепях, изобра-
женных на фиг. 20-13 и 20-14, выигрыша
в среднем значении тока, протекающего через
Фиг. 20-13. Первый вариант кольцевой цепи с
диодами
измеритель, при переходе с однополупериодной
цепи к двухполупериодной нет. В самом деле,
в цепи фиг. 20-13 напряжение Ux делится для
каждого полупериода пополам и ток в измери-
теле в течение каждого полупериода равен
половине тока однополупериодной цепи при
том же значении Ux.
В цепи, изображенной на фиг. 20-14, через
измеритель протекает лишь половина тока,
обусловленного напряжением Ux. Таким обра-
зом, ток в измерителе при переходе от одно-
полупериодной к двухполупериодной цепи
сохраняет то же значение.
Получить удвоение тока при переходе
к двухполупериодной цепи можно лишь, исполь-
зуя в качестве делителя напряжения реактив-
ную катушку (фиг. 20-13, в) или в качестве
делителя тока конденсаторы (фиг. 20-14, в),
не расходующие мощности.
Цепь фиг. 20-15 при переходе к двухполу-
периодному выпрямлению дает удвоение тока
в измерителе, так как измеритель приклю-
Фиг. 20-15. Третий вариант
кольцевой цепи с диодами
чается непосредственно к U без делителя
напряжения или тока.
; Если гальваническое соединение цепей
источников напряжения U г и Ux недопустимо
вследствие опасности образования дополни-
тельных контуров для постоянного тока, то
необходимо разделить цепи напряжений Ur и
U , что возможно выполнить при помощи
трансформаторов, как это показано на фиг. 20-16,
применительно к цепи, изображенной на фиг.
20-13.
Необходимо отметить,что ток в измерите-
ле имеет не только постоянную составляющую,
но и переменную составляющую двойной часто-
ты (напряжения Ux), а также составляющие
гармоник напряжения Ux. Поэтому при необ-
ходимости записывать измеряемую величину
магнитоэлектрическим вибратором осцилло-
графа надо включать перед вибратором соот-
ветствующие фильтры.
б) Цепи с параллельным ключом исполь-
зуются в основном для преобразования посто-
Фиг. 20-16. Кольцевая цепь с разде-
ленными цепями напряжений Ur и Uх
янного или медленно изменяющегося тока
в переменный ток более высокой частоты или
специальной формы кривой. Точнее говоря,
эти цепи служат для модуляции тока несущей
частоты (получаемого от дополнительного
источника напряжения) измеряемым постоян-
ным или медленно меняющимся напряжением.
Принцип действия подобных цепей иллю-
стрирует цепь, изображенная на фиг. 20-17, а.
Положим, что напряжение Ux возрастает во
времени (фиг. 20-17, б), а управляющее напря-
жение Ur является синусоидальной функцией
времени. Положим также, что измеритель
обладает весьма большим сопротивлением.
Тогда в течение того времени, когда диоды
заперты напряжением Uг (когда на правом
зажиме Ur плюс, а на левом минус), напряже-
ние Ux практически целиком подается на
измеритель (так как /?1</?г).
Когда напряжение Ц. открывает диоды
(на правом зажиме — минус, а на левом —
плюс), измеритель шунтируется прямым сопро-
тивлением диодов, и напряжение на измери-
теле резко уменьшается, поскольку большая
часть Ux падает в сопротивлении R\. Таким
образом, напряжение Uх оказывается моду-
лированным с частотой напряжения Ur.
Фиг. 20-18. Двухполупериодная цепь с двумя
диодами, образующая сумму и разность управ-
ляющего и измеряемого напряжений
Цепь, изображенную на фиг. 20-17, можно
выполнить и с двумя диодами, заменив два
нижних (или верхних) диода сопротивлением,,
что особенно удобно при использовании ваку-
умных диодов. *
В литературе в качестве фазочувствитель-
ных выпрямительных цепей приводятся также
так называемые „схемы Вальтера". Примером
подобной цепи является цепь, схема которой
изображена на фиг. 20-18.
Обе половины вторичной обмотки трансфор-
матора Тр\ создают управляющее напряже-
ние Ur значительно большее, чем измеряемое
напряжение Ux, снимаемое со вторичной об-
мотки трансформатора Тр2.
Из схемы видно, что в контуре / (при ука-
занном на фигуре направлении стрелок) дей-
ствует геометрическая сумма э. д. с. LJ/ =
* При перемене местами напряжений Ux и Ur опи-
санная цепь используется для ограничения напряже-
ния Ur до величины напряжения Uх.
— Ur-\-Ux, тогда как в контуре II действует
э. д. с. йн=йг— йх.
На измеритель попадает разность выпрям-
ленных напряжений на сопротивлениях R.
Существенным недостатком подобной цепи
является взаимное воздействие цепей управ-
ляющего и измеряемого напряжений. Через
измеритель, кроме постоянной составляющей,
протекает и большая переменная составляю-
щая управляющего тока, вызывая излишний
нагрев рамки измерителя. Через вторичную
обмотку трансформатора Тр2 протекает выпрям-
Фиг. 20-19. Двухполупериодная цепь с восемью диодами,
образующими сумму и разность управляющего
и выпрямляемого напряжений
ленный ток вторичной обмотки трансформа-
тора Тр\, вследствие чего постоянная состав-
ляющая этого выпрямленного тока подмагни-
чивает трансформатор Тр2, а переменная
составляющая наводит в его первичной об-
мотке э. д. с. двойной частоты, которая мо-
жет вызвать искажение режима ее цепи.
В качестве выпрямительной цепи Вальтера,
свободной от отмеченных недостатков, приво-
дится обычно цепь, схема которой изображена
на фиг. 20-19; действие этой цепи аналогично
описанной выше. Нетрудно видеть, что обе
эти цепи обладают низким коэффициентом
полезного действия, так как большая часть
мощности расходуется в сопротивлениях /?.
§ 20-5. Методы получения управляющего
напряжения
Управляющее напряжение Ur можно часто
получить от той же сети, которая питает и
измерительную цепь (фиг. 20-20). При помощи
узла RC можно регулировать ф::зу управляю-
щего. напряжения с тем, чтобы дсбиться воз-
можно близкого совпадения фаз управляющего
напряжения Ur и напряжения Ux (или той со-
ставляющей U , которая является функцией
измеряемой неэлектрической величины, напри-
мер, реактивной составляющей Ux в случае,
когда Z1 и Z2 являются катушками индуктив-
ного преобразователя).
Иногда целесообразно управляющее напря-
жение снимать с того или иного участка изме-
Фиг. 20-20. Схема получения управляющего
напряжения от напряжения, питающего
измерительный узел цепи
рительной цепи. Например, на фиг. 20-21 цепь
управляющего напряжения питается падением
напряжения на плече Z2.
В этом случае, при включении переключа-
теля П на R, управляющее напряжение Ur
практически совпадает по фазе с напря-
жением на Z2, иначе говоря, с активной
составляющей тока Ц, протекающего по Z]
и Z2 (ток, ответвляющийся в управляющую
цепь, значительно меньше тока 1}), т. е.
с активной составляющей &г изменения соп-
ротивлений Z\ и Z2 (катушек преобразова-
теля); иначе говоря, измеритель будет реаги-
ровать лишь на изменение Дг. Если же пере-
ключатель П включить на С, т. е. сдвинуть
Фиг. 20-21. Схема получения управляющего
напряжения от участка мостовой цепи
вектор Ur относительно Ц на 90°, то измери-
тель будет реагировать лишь на Дх.
Оба рассмотренных метода получения управ-
ляющего напряжения сводятся к парэллель-
ном'у включению цепи управляющего напряже-
ния к измерительной цепи (или к участку
измерительной цепи).
Возможно, однако, и последовательное
включение цепи управляющего напряжения и
измерительной цепи (фиг. 20-22). Управляющее
Фиг. 20-22. Схема последовательного
включения цепи управляющего напря-
жения и измерительной цепи
напряжение Ucd и напряжение Uab на верши-
нах питания моста являются частями напря-
жения U источника питания.
Так как точки m и т', а также п и п'
непосредственно соединены друг с другом,
------------------о U о
Фиг. 20-23. Схема моста
с выпрямительной
„кольцевой” цепью
то сопротивления г и R\ в рассматриваемой
цепи можно удалить, что приводит к более
простой цепи, изображенной на фиг. 20-23.
Глава двадцать первая
ИНТЕГРИРУЮЩИЕ И ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
§ 21-1. Интегрирующие и
дифференцирующие цепи с /?, С» L и М
Если в цепи, изображенной на фиг. 21-1,
протекает ток, мгновенное значение которого
равно i, то для мгновенных значений падений
напряжения можно согласно
0-------[ второму закону Кирхгофа на-
писать;
e — uR-\-uc-^uL = Ri-\-
Т ^Mid^L^. (21-1)
t'&Ub
р Прн определенном выборе
о_____I соотношений между параме-
Фиг. 21-1. Цепь трами (/?, С, L) цепи можно
с R, С, L одно из падений напряжения
(ис, uR или uL) получить про-
порциональным дифференциалу или интегралу
приложенной к цепи э. д. с. е.
Рассмотрим несколько типичных случаев.
1. Положим, что L = 0. Тогда имеем:
e = uR-\-uc — Ri-\-^-^idx. (21-2)
В этом случае возможны два варианта цепи:
a) uR > wc; е == Ri и i — ;
тогда
ис ~ С J1 = С J 'J' ~ J е dx-
Фиг. 21-2. Различные варианты интегрирующих
и дифференцирующих цепей
Подобная цепь (фиг. 21-2,а) обладает интегри-1
рующими свойствами. Чем больше постоянная»
времени RC, тем точнее интегрирование. |
б) ис > uR, е — de = ~i d~ и i =
тогда ;
Bj!=W=Sc£.
Подобная цепь (фиг. 21-2,6) обладает диф-
ференцирующими свойствами. Чем меньше
постоянная времени RC, тем точнее дифферен-
цирование.
2. Положим теперь, что в цепи фиг. 21-1
отсутствует емкость С, т. е. С = оо и хс = 0;
тогда
e = «j? + «£==/?/ + zg. (21-3)
В этом случае также возможны два варианта:
а) и, > и- е = L 4-; i — 4-1 е dt;
L К’ dt L J
тогда
Подобная цепь (фиг. 21-2,в) обладает интегри-
рующими свойствами. Чем больше постоян-
ная времени Z/7?, тем точнее интегрирование.
6)«R>«£; i = -^-;
тогда
т di L de
L dx R dx
Подобная цепь (фиг. 21-2,г) обладает диф-
ференцирующими свойствами. Чем меньше по-
стоянная времени L/R, тем точнее дифферен-
цирование.
Совершенно очевидно, что во всех четы-
рех цепях, при выполнении условий точного
интегрирования или дифференцирования, сни-
маемое после этих операций напряжение
(uR, ис или Uj) будет во много раз меньше
э. д. с. е, подвергаемой операции интегриро-
вания или дифференцирования.
С этой точки зрения представляет интерес
дифференцирующая цепь, изображенная на
фиг. 21-2,6, в которой вместо индуктивности Z
включена взаимная индуктивность М. Повы-
шением числа витков вторичной кадушки
можно избежать уменьшения значения е в ре-
зультате дифференцирования (при сопротивле-
нии нагрузки вторичной обмотки, равном бес-
конечности).
Рассмотрим выражение для погрешности,
например, интегрирования посредством цепи RC
(фиг. 21 -2,а), применительно к синусоидаль-
ному изменению приложенной (интегрируемой)
э. д. с. ♦
В этом случае на основании второго закона
Кирхгофа можно написать:
J R
и выходное напряжение Uc равно:
i I __ Ё 1 __ Ё _
У D . 1 j^C j^RC 1 ~~
R+j^C
Член в скобках характеризует погрешность
интегрирования; этот член превращается в еди-
ницу лишь при RC —> оо, но тогда 0.
Дальнейший анализ приведенной погреш-
ности (по амплитуде), обусловленной конеч-
ным значением постоянной времени 7?С = т0,,
приводит к следующему выражению:
Y__!___ Г1
‘ 2^С^~ 2г24^
1 / Г \2 £ /£\2
2 \2itr0 J 80 \т0 ) '
Аналогично для дифференцирующей цепи
«2С2ш2_ 1 /2пТо\2_ 9П/ТО\2
‘ — 2 ~' 2 [ Т ~ \Г )•
Таким образом, задаваясь максимально до-
пустимой погрешностью (по амплитуде) инте-
грирования или дифференцирования, можно
определить необходимое отношение у, а сле-
довательно, при заданной частоте и постоян-
ную времени т0 — RC. Например, при допу-
стимой Y=l% значение -у- для интегрирую-
щей цепи равно 1,1, а для дифференцирую-
щей цепи у = 0,022.
Погрешности у можно выразить также
в функции от относительного уменьшения
э. д. с. Е после интегрирования или дифферен-
цирования, т. е. в функции от UC!E или UriE:
1 1 (*с\2 1 /^с\2
Y — 2KW — TV Я"/ 2 \ В / ’
RiC№
2
— 2 2 k Е ) ’
Таким образом, величина погрешности пол-
ностью определяется относительной потерей,
э. д. с. Е. Например у = 1% может быть
ис 1/Т_1
получена лишь при зд — у-
§ 21-2. Интегрирующие усилители
Из приведенных выше выражений для по-
грешности дифференцирования и интегрирова-
ния можно сделать вывод, что погрешности
дифференцирования увеличиваются с ростом
частоты, а погрешности интегрирования —
увеличиваются с уменьшением частоты.
u = (edz
-о
Фиг. 21-3. Структурная схема
интегрирующего усилителя
Затруднения с интегрированием на низких
частотах можно преодолеть путем примене-
ния усилителей с глубокой отрицательной об-
ратной связью и заменой интегрирования в пря-
мом канале дифференцированием в канале
отрицательной обратной связи. Принцип та-
кого интегратора представлен на фиг. 21-3.
Если на выходе усилителя получено на-
пряжение и, то на входе усилителя имеется
напряжение u/Л, где k—коэффициент усиле-
ния усилителя.
Тогда э. д. с. е равна падению напряже-
ния uR на сопротивлении R плюс напряже-
ние ujk. Падение напряжения на R является
дифференциалом от и (при соответствующем
подборе значений R и С) и равно:
следовательно,
e = -k+RCix-
Если u]k мало по сравнению с RC , то
e = RC^
ат
И
и = -^\ edt.
Практически схему интегрирующего усили-
теля можно выполнить согласно фиг. 21-4„
Сопротивление R выбирается достаточно боль-
Фиг. 21-4. Принципиальная схе-
ма цепи интегрирующего
усилителя
шим с тем, чтобы падение напряжения на;
нем было значительно больше, чем напряже-
ние u/Л на сетке лампы.
Падение напряжения на R является диффе-
ренциалом выходного напряжения и (если поло-
жить, что внутреннее сопротивление источ-
ника е весьма мало, что обычно и имеет
место).
Раздел четвертый
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Глаза двадцать вторая
МОСТОВЫЕ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 22-1. Основные соотношения
Цепь одинарного моста изображена на
фиг. 22-1. Сопротивления плеч моста обозна-
чены через /?|, R2, R3, /?4; сопротивление изме-
рителя, включенного в диагональ ab,— че-
рез Rr. Источник питания напряжения U вклю-
чен в диагональ cd.
В мостовых цепях постоянного тока, ис-
пользуемых для измерения неэлектрических
5еличин, обычно задано (или по крайней мере
ограничено) значение напряжения U источника
тока, питающего цепь.
Для определения выражения для тока 1Г
в измерителе при заданном напряжении Uвос-
пользуемся теоремой об эквивалентном гене-
раторе, согласно которой ток в любом участке R
электрической цепи равен напряжению UQ
холостого хода между зажимами участка R,
когда /?=оо, деленному на сумму сопротив-
лений R-\-RK, где RK—сопротивление между
зажимами участка R при условии,короткого
замыкания всех э. д. с. цепи.
а .
Фиг. 22-1. Измеритель-
ная цепь одинарного
моста
Фиг. 22-2. Эквивалентная
схема одинарного моста
Применительно к мостовой цепи, изобра-
женной на фиг. 22-1, для участка Rr между
зажимами а и b имеем:
tj — [ j . __ и %*—
+ и Rs + Ri’
п R& I R*Ri
к Ri т R1 Rs 4- Rt
Тогда
R\Rs
1Г = и—• (22'1)
1 Г? I . Аак4
Г Ri ~t~ R2 ^3 + Ri
Из последнего уравнения нетрудно полу-
чить обычно встречающееся в литературе
выражение (22-1а):
как внутреннее сопротивление Rt источника
напряжения t/0, внешней же нагрузкой для
этого источника напряжения является сопро-
тивление измерителя Rr.
§ 22-2. Оптимальные соотношения между
। сопротивлениями мостовой цепи при
заданных параметрах преобразователя,
Практический интерес при решении воп-
роса об оптимальных соотношениях между
сопротивлениями цепи моста постоянного тока
представляет лишь случай, когда в измери-
тельную диагональ моста включен измеритель
конечного сопротивления. Случай, когда изме-
ритель имеет весьма большое сопротивление,
встречается обычно лишь в мостах перемен-
ного тока, когда на измерительную диагональ
моста включен либо ламповый вольтметр,
либо ламповый усилитель напряжения (лампо-
вые усилители постоянного тока применяются
сравнительно редко).
Согласование сопротизления измерителя
(нагрузки) с выходным сопротивлением моста
приводит к равенству:
*г=^ + ^- (22-2)
Нетрудно видеть, что правая часть урав-
нения (22-2) представляет собой сопротивле-
ние моста относительно вершин измерительной
диагонали при бесконечно малом сопротивле-
нии источника напряжения.
Выше, в § 18-2, было указано, что угол
отклонения магнитоэлектрического измерителя
Ir = U
RyRj — R2Rs
Rr (Ri + Rz) (Rs + Ri) + RiR2 (Rs + Ri) + RsRi (Ri + R2)
(22-la)
и условие равновесия цепи:
R\Ri = R2R3.
Эквивалентная схема одинарного моста,
соответствующая уравнению (22-1), изображена
на фиг. 22-2. Напряжение U0—Ui~U3 соот-
ветствует числителю уравнения (21-1).
Параллельно соединенные пары сопротив-
лений Ri и R2, R3 и /?4 можно рассматривать
пропорционален Рг , где Рг — мощность из-
мерителя.
Положим, что при начальном значении
измеряемой величины 7% сопротивление пре-
образователя равно R\ и что мост при этом
сопротивлении уравновешен, так что ток в из-
мерителе, а следовательно, и его мощность
равны нулю. Положим также, что при изме-
нении измеряемой неэлектрической величины
от начального значения на AF сопротивле-
ние /?! преобразователя изменилось на &R\.
Тогда выражение для УРГ, учитывая уравне-
ния (22-1) и (22-2), примет вид (22-2а):
Максимум этого выражения (при заданном 7?i)
имеет место при
В
/?3 = /?4 — 0. (22-5)
этом случае условие (22-2) примет вид:
П __
(22-5а)
/?1 4- ARt 4~ ^2
Rs
Rs 4~ R4
R\R2 1 ^4
1 4- #8 4~ #4
(/?14- R2 . RsRj [ R1R2 1 RsRj
(22-2а)
4-л/?] -f-R2
/?з + Я4 ~rRi+R2^Ra t Rt
Принимая во внимание, что при равновесии
моста имеет место соотношение RiR4 = R2R3,
и пренебрегая величиной &R[ в знаменателе,
получим:
Однако при выполнении условия (22-5) источ-
ник тока должен обладать бесконечной мощ-
ностью.
Положим, что мощность Р, 'получаемая
MhRi_________
л i/ZSEZTZWl
4> V R^ + Ri^Rs+Ri
Разделив числитель и знаменатель на R\Ri и
обозначая относительное изменение сопротив-
ления
др
/?! через получим (22-3):
от источника тока, ограничена; выражение
для Р можно написать следующим
р__ иЦ^ + Rs) .
2RlRg ’
образом
VPr — U
«2
6
^,/П/рГ R3R^
RiJ V 1?! 4- R2 -i- Rs -t- R
(22-3)
В
рения
большинстве случаев в практике изме-
неэлектрических величин используются
тогда
симметричные мостовые цепи.
Р,. = СР
е2
Симметричный мост
двояко (см. фиг. 22-1):
1) Rl—R2 и
2) Ri — R3 и
можно осуществить
/?2 = ^4-
Рассмотрим вопрос об оптимальных соот-
ношениях между сопротивлениями мостовой
цепи отдельно для каждого типа симметрии.
При этом будем полагать сопротивление R\
преобразователя заданным.
С и м м е т р и я Ri = R2 и /?8 = R4.
Выражение (22-3) примет в этом случае
вид:
^Рг U 4 V2 VRi + Ra ’
РГ = 1Р
(22-4)
32(/?! + /?3) —
— p 1 -2
(Я14-Яз)2 16 ’
Максимум отношения Рг/Р имеет
Ri=Rs<
в чем нетрудно убедиться, найдя
выражения /?)/?3/(/?1 -|-/?8)2. '
с точки зрения наилучшего
(22-6>
место при
максимум i
Таким образом,
> использования
источника тока (т. е. с точки зрения получе-
ния максимального к. п. д.) наиболее выгоден
равноплечий мост (#] = R2 = рз~р4).
В этом случае имеем:
Р — Р —
Однако на практике значительно больший
интерес представляет отношение РГ1Р\ (где
Pi—мощность преобразователя), поскольку
е
32(/?14~^з) '
мощность преобразователя задана обычно до-
пустимыми габаритами последнего, в то время
как мощность, которую можно взять от источ-
ника тока, как правило, значительно превы-
шает мощность преобразователя, а часто прак-
тически не ограничена.
Мощность Р| преобразователя при /?1=Т?2
можно выразить как
Найдем максимум выражения 7-.Л1#*- :
(Ki -f- к4)3
д
(Ri + Ri)' _(Ri + tf4)8tfi-37?iR4(R1 + fl4)2
dRt — № + R4)« —U
откуда
(/?, + /?4)3 Ri = ЗВД (/?, + Rtf,
или
тогда, учитывая уравнение (22-4), получим:
n ___R\
('22-9)
В
этом случае условие (22-2) принимает вид:
При /?3 = Т?4 —>0:
|£г =4е2- (22-7)
I макс °
Таким образом, при симметрии Ri~R2 н
Rs == /?4 целесообразно уменьшать 7?3 и Т?4 до
значений, ограниченных мощностью источника
тока, с учетом необходимости надлежащего
охлаждения этих сопротивлений.
В частном случае симметрии, когда R{ =
R2—Ra = R4, т. е. в случае равноплечего
моста выражение (22-4) примет вид:
^=^6^’ (22’4а)
и отношение мощности РГ, получаемой изме-
рителем, к мощности Р[ преобразователя бу-
дет равно:
Рг/Рх = ^. (22-7а)
Таким образом, мощность, получаемая измери-
телем, не превышает е2 от мощно-
сти преобразователя. Так, при относительном
изменении г сопротивления преобразователя,
равном, например, 0,2(20%), мощность, полу-
чаемая измерителем, составит всего 0,5 —
0,25% от мощности преобразователя.
Симметрия Ri = R3 и R2-=R4.
В этом случае выражение (22-3) принимает
вид (при заданном напряжении U источника
тока):
RjRj
R\ % Ri
После простейших преобразований получаем:
г— 8 № + ^)3’
(22-8)
п ___о R\Rj _______ 2 р
— 2 Ri-i-Ri ~ 3
Р — №2
г— g
(22-10)
Мощность, получаемая от источника тока
при симметрии Ri~R3 и R2 = Rit при выпол-
нении условия (22-9) будет равна:
Р —AL2
з /?1 ’
и, следовательно,
Р = Р — е2.
Г г 72
Мощность преобразователя для рассматри-
ваемой симметрии можно выразить как
р _ UiR\ _ 4 t/2
1— + 9 Ri’
откуда отношение \РГ \макс равно:
Рг I __с2,
Р\ [макс 24
(22-11)
Наличие условия (22-9) оптимальной мощ-.
ности, получаемой измерителем при симметрии
Ri =Rs и = Rt, объясняется следующими
обстоятельствами.
С точки зрения лучшего. использования за-
даного напряжения U было бы целесообраз-
но уменьшать сколь возможно сопротивления
/?2 и 7%; тогда падение напряжения на преоб-
разователе будет наибольшим и последний по-
лучит большую мощность. Однако при этом
измеритель окажется шунтированным малым
сопротивлением, и мощность, получаемая изме-
рителем, окажется весьма малой. Если же, на-
оборот, выполнить плечи R2 и /?4 весьма боль-
шого сопротивления с тем, чтобы измеритель
получил возможно бблыпую часть мощности от
преобразователя, то сама мощность преобразо-
вателя окажется весьма малой (вследствие
большого падения напряжения на R2)-
Указанными противоречиями и объясняется
наличие условия (22-9).
Если сравнить уравнения (22-4) и (22-10),
то приходим к заключению, что при заданном
напряжении U первая симметрия имеет неко-
торые преимущества лишь при R3 и R4, весьма
малых относительно Ri. Зато с точки зрения
использования мощности Pi преобразователя
{уравнения (22-7) и (22-13)] симметрия Ri=R2
и R3 — Ri имеет преимущества даже при не
слишком малых R3- Поэтому в мостовых цепях
постоянного тока обычно применяют первую
симметрию, т. е. симметрию Ri = R2 и /?з = Ri.
В мостах переменного тока, как это будет
показано в § 23-3, симметрия Ri — R3 a R2 =
— R4 в известных случаях представляет суще-
ственный интерес.
Проведенный анализ обоих случаев симмет-
рии приводит к заключению, что оптимальный
режим симметричной мостовой цепи имеет ме-
сто: а) при симметрии Ri = R2 и R3 = Ri,
б) при минимальных сопротивлениях плеч Rs и
Ri и в) при равенстве сопротивления измери-
теля сопротивлению моста относительно зажи-
. мов измерителя.
Следует отметить лишь, что максимумы
в измерителе, определяемые условиями б) ив),
достаточно пологи; поэтому отступление от
условий оптимума тогда, когда это требуется,
например, из соображений работы измерителя
вблизи критического режима, вполне допустимо
и целесообразно.
Для расчета тока в измерителе можно
пользоваться уравнением (22-1), где вместо/?!
следует подставить (7?!Д/?1).
В том случае, когда используется диффе-
ренциальный преобразователь (R{ = R2 и Д/?] =
= — Д/?2)> в числителе выражения (22-3) по-
явится коэффициент 2, а отношения РГ!Р\
в уравнениях (22-7), (22-7а) и (22-11) увели-
чатся в два раза.
Мы рассмотрели вопрос об оптимальных со-
отношениях при заданном напряжении U, что
имеет место в большинстве случаев практики.
Оптимальные соотношения между сопротив-
лениями цепи при заданном токе I в нераз-
ветвленной части моста будут иметь другой
вид. И в этом случае получение максимальной
мощности Рг в измерителе потребует увеличе-
ния мощности источника тока (в пределе до
бесконечности), но уже не за счет увеличения
[ Разд. 4 |
Г Г' t
тока I, а за счет увеличения напряжения U j
источника тока, что практически труднее осу- }
ществить. Поэтому вопрос об оптимальных |
соотношениях при I — const мы рассматривать {
не будем. ]
I
§ 22-3. Оптимальные соотношения между |
сопротивлениями мостовой цепи I
при заданных параметрах измерителя |
При заданном сопротивлении Rr измери- ('
теля вопрос о выборе типа симметрии ре-
шается часто в зависимости от соотношения j
между сопротивлениями преобразователя и f
измерителя. I
Соотношение (22-2), естественно, должно I
сохраняться и в данном случае. I
Рассмотрим сначала симметрию R\ = R2 и f
Rs = Ri (см. фиг. 22-1). При этом уравнение I
(22-2) примет вид:
р ___^1 j «з
откуда
R3 = 2Rr~Ri.
Если преобразователь можно выполнить i
так, чтобы разность 2/?г — /?(
нуля, т. е. чтобы имело место
Ri<2Rr,
то симметрию/?! _/?2 и/?3 = /?4
зовать; если же имеет место соотношение
2^г</?1,
то рассматриваемая симметрия невозможна.
Теперь рассмотрим симметрию /?! =/?3 и j
R2 = R4. В этом случае уравнение (22-2) при- 1
нимает вид: j
р _ ZR-Ri i
+ ]
откуда
RrRi
* * ~2R1-Rr-
Из последнего выражения делаем вывод, '
что симметрию Ri — Ra и /?2~/?4 можно при-
менять лишь в том случае, когда
R»^-. (22-13)
Само собой разумеется, что все соотноше-
ния, выведенные в предыдущем параграфе, со-
храняют свою силу и при заданном сопротив-
лении Rr измерителя; добавляются лишь усло-
вия (22-12) и (22-13) при решении вопроса
о выборе типа симметрии.
была больше j
соотношение
(22-12)
можно исполь- J
§ 22-4. Влияние мостовой цепи
иа характеристику шкалы прибора
Вопрос об искажениях, вносимых мостовой
цепью в характеристику шкалы прибора в це-
лом, является общим как для мостов постоян-
ного тока, так и для мостов переменного тока.
Мы рассмотрим этот вопрос применительно
к мостам постоянного тока, однако все выводы
и положения настоящего параграфа сохраняют
свою силу и для мостов переменного тока.
Ограничимся рассмотрением лишь наиболее
часто встречающихся в практике измерений не-
электрических величин симметричных мосто-
вых цепей.
Мост с одним рабочим плечом. Если мост
имеет только одно рабочее плечо, то для то-
ка 1Г в измерителе, в соответствии с уравне-
нием (22-1) и при Rx = R2 и R-.t = R4> можно
получить следующее выражение:
откуда наибольшая степень нелинейности а
может быть определена как
IГ макс IГ макс
а =-----------------------
макс г ’
1Г макс
1
1,024 ~ 1
-----;--- = — 0,024 = — 2,4%.
Ir^U
пли
е
|(R1 4-AR,)^
[r1 + AR1+Ki
2
1г=.и~
4
ё,
1 , «3
(22-14)
Таким образом, степень нелинейности функ-
ции Ir=f(e) будет зависеть как от значе-
ния г, так и от соотношения между Rit Rs
и Rr.
Если будет выполнено условие максимума
Рг уравнения (22-5) и (22-5а) R3—»0 и Rr =
R}
Т0
Уравнение (22-15) соответствует наибольшей
степени нелинейности функции по-
скольку второй член знаменателя в уравнении
(22-14) превратился в нуль.
Таким образом, условия наибольшей чувст-
вительности моста по мощности одновременно
являются условиями наибольшей нелинейности
характеристики
Если бы в знаменателе уравнения (22-15) г
отсутствовало, то мы имели бы
Г = и~^~
1Г макс
Положим, для примера, что s = 0,l, тогда,
согласно (22-15),
I = И_________' ' .
1Гмакс 4R4 1,024 ’
Однако следует отметить, что даже значи-
тельное отступление от условий наибольшей
чувствителньости при одном рабочем плече не
дает существенного уменьшения степени нели-
нейности.
Мост с двумя соседними рабочими плечами.
В практике электрических измерений неэлек-
трических величин весьма часто приходится
встречаться с преобразователями дифферен-
циального типа, обладающими двумя сопро-
тивлениями (активными, реактивными или пол-
ными), знаки изменения которых всегда про-
тивоположны. Оба сопротивления включаются
в два соседних плеча мостовой цепи.
Если выбрать эти сопротивления одинако-
выми, то одновременно достигается и значи-
тельная компенсация температурной погреш-
ности преобразователя.
Здесь могут быть два случая: 1) дифферен-
циальный преобразователь включен в плечи R\
и R2 и 2) дифференциальный преобразователь
включен в плечи Ri и R3.
Случай 1. Положим, что R\ = R2 и ДТ?!=
= — MR2. Тогда вместо уравнения (22-1) будем
иметь:
_____Ri 4- ARi____
. j. + AR1 + R%— AR2 Rs-^-Ri _
V —67 (R1-t-AR1)(R2 —AR2) R3R4 —
Ri + bR, +R2 - bR, + R3 + Rt + Kr
__j j____________SR4R4 4- AR2R3______________
(R 40 UR 4-R 1 „ 1 ’
(Ri-bR2)(«3+R4)^ Rt + Rz +R3 + R4+Kr]
Так как
Rl = R2 = R- R3 = R4 и Д^1==-Д7?2,
то
Ir = U
— U
MRRi
„ rR2-(AR)2 R3
2R-2R3^ 2R +2R3
2 AR
,„[R2-(iR)2 , R3 , D
[ 2R f 2 1"2
— U_______—-----
~ JR2-(W ^3 .r,
4 2R + 2 +R-
(22-16,
[0 A. M. Туричин.
146 Измерительные цепи [Разд. 4' |
.-----------------------.---------—_-----------------------------------------------------------j
При выполнении оптимальных условий:
7?3—>0 и Rr=R/2 получим:
I =(22-17)
- 2-;
Из сравнения уравнений (22-17) и (22-15)
видим, что нелинейность функции
при включении дифференциального преобразо-
вателя в мостовую цепь резко уменьшается,
поскольку е в знаменатель выражения (22-17)
входит во второй степени.
Если вычислить максимальную степень не-
линейности аналогично тому, как она была
вычислена выше, для е—0,1, то получим:
—----1
О ОД1!
а = —. = 0,005 = 0,5%.
макс 1 ’ ’ /и
Таким образом, использование дифференци-
ального преобразователя в цепи моста дает
значительное уменьшение степени нелиней-
ности.
Случай 2. Положим, что дифференциаль-
ный преобразователь включен в плечи R\ и R3,
т. е. что Ri = R3 и ARi =— ARS.
Тогда выражение (21-1) примет вид:
7?! + AR4 R3 — ARa
R44- ARt 4- R2 R3—AR3-)-R4
Ir~U ARt)R2 (R3—AR8)R4 ’
Ri 4- ^Ri + ^2 + Rs— bR3-+Ri "* r
После простейших преобразований нетрудно
убедиться в том, что в знаменателе этого вы-
ражения AR отсутствует. Следовательно, ха-
рактеристика /г = /(е) для данного случая яв-
ляется строго линейной.
Мост с двумя рабочими противоположно
включенными плечами. Иногда стремление
к удвоению чувствительности приводит к вклю-
чению двух рабочих преобразователей в про-
тивоположные плечи моста. Тогда необходи-
мость температурной компенсации заставляет
в остальные два плеча включить нерабочие
преобразователи, аналогичные рабочим преоб-
разователям. Таким образом, мост получается
равноплечим. Отметим сразу же, что в этом
случае не получается удвоения чувствительно-
сти моста по сравнению с симметричным мо-
стом, так как увеличение е в два раза частич-
но компенсируется уменьшением чувствитель-
ности вследствие необходимости отказа от усло-
вий /?3 < /?1 и R. <? R{.
Таким образом, увеличение чувствитель- |
ности моста при включении двух рабочих пр.е- I
образователей в противоположные плечи мо- I
жет иметь место лишь в том случае, когда и f
при одном рабочем преобразователе приходит- j
ся по тем или иным соображениям (например
по недостатку мощности источника питания} f
прибегать к равноплечему мосту. {
С точки зрения искажения характера шка- f
лы этот случай значительно уступает случаям (
а) и б). В самом деле, уравнение (22-1) мы I
должны написать теперь в виде: [
Ri 4- AR, Ra I
, __.. Ri 4- &Ri 4- R% 4- R4 4- AR4 I
r (^i-t-ARQR, R3(R4+AR4) . • |
Ri 4- ARj 4- R2 Rg 4- R4 -f- AR4 n {
При 7?1=7?2 = 7?3 = 7?4 = 7? и Д/?! = Д/?4 = Д^[
имеем: [
т __и _____________AR__________ ?;
г I 2R(R-+ AR) Г /
<27? + Д₽) |/ - 2R^I + *г|
Принимая условие оптимальной чувстви-
тельности Rr — R, получаем:
I —U________________(
Г макс “ 2R (R-i-AR) 4-R (2R 4-AR) — Г
ИЛИ
Сравнение уравнений (22-18), (22-17) и
(22-15) показывает, что нелинейность шкалы!
в рассматриваемом случае значительно пре-
восходит таковую в случаях а) и б).
Если подсчитать максимальную степень!
нелинейности <змакс для данного случая анало-
гично тому, как это было сделано для двух|
предыдущих случаев, при е = 0,1, то получим:^
1 I
1,075 — 1 {
°макс =----j—= —0,075 = —7,5% . |
§ 22-5. Мостовые цепи постоянного тока
с логометром в качестве измерителя j
В практике измерения неэлектрических ве-|.
личин нашли применение два типа мостовых|
цепей постоянного тока с магнитоэлектриче-|
ским логометром в качестве измерителя. [
Первый тип цепей изображен на фиг. 22-3.
Одна из рамок логометра (7?Г1) включена в из-
мерительную диагональ моста, а вторая рамка
(/?Г2) — в диагональ питания моста. При изме-
нении сопротивления преобразователя, вклю-
ченного в одно из плеч моста, изменяется ток
лишь в рамке /?г1 логометра, тогда как ток
в рамке Rr2 не зависит от изменения сопро-
тивления преобразователя.
Угол отклонения логометра является, как
известно, функцией отношения токов в рам-
ках:
^VT2/ 1г2 /’
(22-19)
где /Г1 — ток в рамке 7?Г1 при начальном зна-
чении измеряемой неэлектрической
величины;
д/Г1 — изменение тока в рамке обус-
ловленное изменением сопротивления
плеча с преобразователем;
л “Ь ^ГГ
Все соображения относительно расчета зна-
чения Д/Г1, а также определения условий опти-
мального режима моста, ничем не отличаются
от приведенных выше для мостовой цепи с
магнитоэлектрическим измерителем (не лого-
метром).
Так как токи 1Г1, 1Г2 и Д/Г1 пропорцио-
нальны напряжению U источника питания мо-
ста, то отклонение а [уравнение (22-19)] не
зависит от постоянства U. Практически,'Одна-
ко [Л. .4], независимость а от изменения U
имеет место лишь в пределах конечных изме-
нений напряжения (примерно на 15 — 20%).
Во втором типе мостовой цепи с логомет-
ром, изображенной на фиг. 22-4, при изменении
сопротивления преобразователя происходит из-
менение токов в обеих рамках, причем с раз-
ными знаками, что может обеспечить боль-
шую чувствительность этой цепи по сравне-
нию с цепью фиг. 22-3.
В самом деле, найдем выражение для от-
ношения токов в обеих рамках логометра,
включенного согласно фиг. 22-4. Положим, что
преобразователь включен в плечо Rx и что
сопротивления обеих рамок равны друг другу,
т. е. что /?Г1 =/?г2 = г. Положим также, что
мост симметричен, т. е. что /?2 — Ra-
10*
Выражения для токов в рамках логометра
имеют вид:
• R2 , R3
iri=u±^^+Rx ,
R& , R3RX
Ri-t R-2 /?g-)-Rx
Ra R2
I —rj Rx + Ra Ri + R2-
™ RiRz RsR- ’
-j- r2 Ra~\-Rx
где
p'__ .
3 Ra + R5+r
r'— R’ARs + r) .
^2- Р2+Рб+г >
При равновесии моста, т. е. при Т?2 = Т?3
и Rx = Rx, потенциалы точек а и с равны; сле-
довательно, ток течет от с к b и от а к Ь\
Фиг. 22-4. Схема цепи пяти-
плечего моста с логометром
в.качестве измерителя
Фиг. 22-3. Схема мосто-
вой цепи с логометром
в качестве измерителя
иначе говоря, токи в рамках логометра на-
правлены противоположно друг другу.
Так как при /?2— R3 и Ri — Rx имеет ме-
сто равенство R2 = R3, то
Ал = 1 гт
Таким образом, при равновесии моста токи
в рамках равны друг другу по величине и
противоположны по направлению. При неравно-
весии моста значения изменения токов в рам-
ках МГ1 и Д/Г2 противоположны по знаку и
неодинаковы по величине.
§ 22-6. Простой метод расчета тока
в измерителе мостовой цепи постоянного
тока при значительных изменениях
сопротивления рабочего плеча
В § 22-4 мы выяснили, что нелинейность
характеристики моста в значитель-
ной степени зависит от самого значения
д/? ,
е—(т. е. от относительного изменения
сопротивления преобразователя). До сих пор
мы рассматривали мосты с малым значением е,
что позволяло в выражениях для тока 1Г в
измерителе пренебрегать значением е в зна-
менателе.
Однако в целом ряде случаев значение е
достигает единицы и выше (например у преоб-
разователей термометров сопротивления); ина-
че говоря, изменение сопротивления 1/? пре-
образователя может достигать и превосходить
начальное значение R сопротивления преобра-
зователя. В этих случаях пренебрегать ДУ?
в знаменателе выражения для 1Г уже нельзя,
что затрудняет пользование этими выражения-
ми для расчета 1Г, Рг.
Вместе с тем, нелинейность характери-
стики Ir=f(e) моста при больших значениях г
настолько велика, что приходится добиваться
определенной нелинейности характеристики
шкалы самого измерителя (т. е. зависимости
a— с тем, чтобы обе нелинейности в
какой-то степени компенсировали друг друга,
т. е. чтобы характеристика а=/(е) была
близка к линейной.
При подобной операции приходится про-
водить целую серию расчетов 1Г для различ-
ных значений Д/? при различных комбинациях
сопротивлений плеч моста и сопротивления
измерителя. Поэтому потребность в простых
и удобных формулах для расчета 1Г в функ-
ции от г (или от Д/?) преобразователя весьма
актуальна.
Настоящий параграф посвящен изложению
простого метода расчета 1Г, предложенного
П. Б. Усатиным.
Вернемся снова к эквивалентной цепи
моста, изображенной на фиг. 22-2, соответствую-
щей уравнению (22-1). Переменным плечом
является плечо R[.
Для вывода формулы расчета тока 1Г в
диагонали моста вводим следующие обозначе-
ния:
R^r^ + bR^
где Г\ — сопротивление плеча R\, соответст-
вующее равновесию моста (/г = 0).
Таким образом,
откуда
П __ Ra
Г1 + ^2 Ra + Rl
Обозначим также
и
= ^2С-
С учетом этих обозначений уравнение (22-1)
можно преобразовать следующим образом:
Ri _ R2
^14-^2 R1 , .
R2 ‘ ’
и ,
__ ^2 ^2 ___ а -[- k
ri । ARi , , a 4~ k 4* i ’
R2 + /?2 +
И
Ra _____ ri_________^2 ___ a
R3 + R4 И 4-#2 Д.+ 1 a-t~l ’
R2
R1R2 ___ n Rl _________n a 4- fe
R1+R2 A2 7?!4-R2 — 2a + *4-l'
Учитывая последние выражения, получим:
о 4- k и
. e-H4 1 04-1
^2 a 4~ ,
и 4“ & Т 1
__ U (а 4- Л)(я4-1) — а (а 4- k 4- 1)
R2 (а 4~ &) (а 4- В 4*с (а 4- О (а 4" Т 1) ’
или
j _ U________________k___________
г R2 ,:(а 4" О [а 4“ k 4- с (а 4- k) 4- с]
Преобразуем знаменатель этого выражения
а -ф- k с (а -ф-Л) ф~ с = (а -ф-Л) (1 -ф- с) -ф-
+ 1 +с— 1 ~ U +с) а-ф-£ф-1------------Пфт)’
Окончательно получаем:
!г = ' (22’2°)
1 +с
Первые два множителя не зависят от k= ——L,
«2
т. е. являются постоянными. Третий множи-
тель является функцией k и определяет ха-
рактер зависимости тока 1Г в диагонали мо-
ста от изменения (т. е. от Д/?1).
При равновесии моста ток /10 в плече Д,
равен:
Ло
(22-21)
%2 ^2 О Щ а)
Фиг. 22-5. К расчету цепи
одинарного моста
Вблизи равновесия моста, при k—>0, в выра-
жении (22-20) для 1Г можно пренебречь вели-
чиной k в знаменателе. Тогда
^го
Тогда ток в измерителе при отсутствии рав-
новесия можно выразить через чувствитель-
ность у нулевой точки 50:
Ir=^SQk. (22-24)
Вблизи нуля, при малых значениях &Ri,
зависимость тока 1Г от как это видно
из выражения (22-23), является линейной.
Приведем пример расчета тока в гальва-
нометре при использовании формулы (22-20)
для мостовой цепи, изображенной на фиг. 22-5.
Положим, что мы желаем определить 1Г
для следующих пяти значений ARr 10, 20,
30, 40 и 50 ом.
Порядок расчета:
ц = —^^- = 0,25;
Л 2 ^-UU
5-20
5+2о + 50_____54__П97..
200 200 ~ ’ ’
1-4-0=1,25; 1ф-с=1,27;
14-а —= 0,463.
Значения k, соответствующие приведенным
значениям &R, равны: k— 0,05; 0,1; 0,15; 0,20;
0,25.
Тогда
, _ 2 1 k
1Г— 200 ’ 1,25-1,27 ' 0,463 -f- k ’
Дальнейшие вычисления располагаем в
табл. 22-1.
U 1 k
#2 От а) 1-TC J । д 1
1 с
(22-22)
Чувствительность у нулевой точки будет
равна:
Таблица 22-1
AR, k 0,433 + k п 7Г
0,4 ,3 4-Л:
10 ом 0,905 0,513 0,0975 0,615-10-» а
20 „ 0,1 0,563 0,1775 1,12-Ю-з „
30 » 0,15 0,613 0,245 1,54-Ю-з „
40 „ 0,20 0,663 0,302 1,90-Ю-з .
50 „ 0,25 0,713 0,351 2,21-Ю-з ,
Глава двадцать третья
МОСТОВЫЕ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
23-1. Основные соотношения
Все выводы и положения, изложенные в
предыдущем разделе относительно мостов
постоянного тока, сохраняют силу и для мо-
стов переменного тока, если во всех выра-
жениях заменить сопротивление R постоянно-
му току комплексным сопротивлением Z, а
также ток и напряжение заменить их компле-
ксами. Однако полученные в таком общем
виде выражения далеко не всегда пригодны
для целей практического расчета мостовых
цепей переменного тока. Замена же комплек-
сов их вещественными и мнимыми состав-
ляющими приводит в общем случае к слож-
ным выражениям, что затрудняет их матема-
тическую обработку применительно к решению
определенных технических задач.
Основные вопросы, которые необходимо
рассмотреть в настоящей главе, те же, что и
в предыдущей главе. Это вопросы об опти-
мальных соотношениях между сопротивления-
ми мостовой цепи и о соотношении между
мощностью измерителя и мощностью преобра-
зователя.
Если цепь моста переменного тока изобра-
зить в общем случае так, как это показано
на фиг. 23-1, то рассуждениями, аналогичны-
ми изложенным в § 22-1,
мы придем к эквивалент-
ной цепи фиг. 23-2, ана-
логичной изображенной
на фиг. 22-2.
Фиг. 23-1. Схема цепи
моста переменного
тока
Фиг. 23-2. Эквивалентная
схема моста переменного
тока
Напряжение[70= (71—Us равно:
t70=f7(-z^b---(23-1)
о w \ Zl + Z2 Z3TZ4 J
где U— комплекс напряжения источника пи-
тания.
Положим, что преобразователем является
Z\ и что изменение его сопротивления рав-
но AZ].
Ток 1Г в измерителе можно выразить как
Zt+AZ; Z3
r (Z^AZQZg Z3Z4 *
Zi + AZj-|-Z2 .Z3 + Z4 r
Мы ограничимся рассмотрением лишь це-
пей симметричных мостов, поскольку несим-
метричные мосты переменного тока в практике
измерения неэлектрических величин встреча-
ются крайне редко. При этом будем полагать,
что, как это обычно и бывает в действитель-
ности, AZi<Zi, и что при сопротивлении
преобразователя, равном Zb мост уравновешен.
§ 23-2. Цепь моста с симметрией Zi = Z2
и Z3 = Z4 (фиг. 23-1)
При рассматриваемой симметрии уравнение
(23-2) для тока в измерителе принимает вид j
(если пренебречь &Z\ в знаменателе):
/Г=1?Х
_______________ AZjZ4_______________
(z, + Z2) (Z, + Z,) + + zr)
__ AZ1Z4
2Z]2Z4 у + Zr
— и---------------
4/£1 4- 4- Z ’
где
• = Д£1
Zi
Переходя к модулям, получим:
2 V (ri + г4 4- 2/у-)* -f- (xj 4- *4 + ^хг )2 * *
(23-3) f
Измерителем в мостовых цепях перемен- ;
ного тока являются либо выпрямительные,
либо ферродинамические приборы; в последнем i
случае в измерительную диагональ моста f
включается лишь подвижная рамка прибора, ;
неподвижные же катушки питаются обычно :
непосредственно от источника тока. Поэтому ?
сопротивление измерителя можно рассматри- ;
вать как активное сопротивление, ибо индук- i
тивность рамки ферродинамического прибора г
невелика. I
В этом случае условие согласования выра- [
жается как (см. § 18-3) 5
2гг=1/(Г1 + г4)2 + (х,+х4)2. (23-4) \
Выражение для мощности в рассматрива- f
емом случае имеет вид: ;
= 4/2 4 [(Г14- Г4 +- 2гг У- 4- (Х1 4- х4я • (23’5 * * В> |
Полную мощность Pj преобразователя j
можно выразить как j
Pi — (2з-б) I
1 i 2 1 2| 4г ' ' I
Подставив в (23-5) выражение (23-4), а за- при заданном напряжении U источника пита-
•гем (23-6), получим: ния наибольшая мощность, получаемая изме-
-у ]АГ1 + г42 4“ (Х1Г -Ч?
4 {[и + Г4 4~ 1ЛГ1 + г4)2 + (Х1 4" xiY I2 + (Х1 + Xi)4
рителем, имеет место при
г —И и г _г_Г
2 И 2 '
В мостах переменного тока
есть возможность смягчить
_________________Р&ь? l^(fi 4- г4)’2 4- (*1 4- Х4)*_______________________
2 {[/"1 4- r4 + У(г1 Г Г4У + (х1 4" Х4)г ]2 + (*1 -f- Х4)'2}
Из этого уравнения вытекает условие ма-
ксимума мощности РГ (при заданном Zi);
г4 —>0 и х4—»0. (23-7)
Принимая во внимание условие (23-7), по-
лучим выражение для Ргмакс (для измерителя,
представляющего собой активное сопротив-
ление): ______ ______
р __ V 4- xf v г2 4- х2 _
Г макс- 2 (Г1±ууГ^)2 + х2
_Р1С-2 Ж1 ________ ^г-2 С93-81
” 2 о 2 7, , Г1 \ — 4(14-c°Sf) ’ }
где cos ср = Г1/.3!—сдвиг фаз в преобразова-
теле.
Если преобразователь представляет собой
чисто активное сопротивление, то
Р =—P.S
1 Г макс 8 J 1
«(этот же результат мы получили при рассмо-
трении мостов постоянного тока в § 22-2).
Если же преобразователь представляет
•собой чиста реактивное сопротивление, то
Для емкостных преобразователей можно
принять cos ср — 0, для индуктивных же пре-
образователей cos ср обычно равен 0,3 — 0,6;
•следовательно, для них
Рг^Кс^(0>77^0,66)1р1$2.
I ’МЧ’П- и '
Если в схему моста включен дифференци-
альный преобразователь, то во всех выраже-
ниях для РГмакс правые части надо умножить
на 2.
§ 23-3. Цепь моста с симметрией Z\ — Z3
и Z2 = Z4 (фиг. 23-1)
Исследуя подобную симметрию в мостах
постоянного тока (§ 22-2), мы выяснили, что
отмеченное в § 22-2 противо-
речие, используя в качестве
плеч Z2 и Z4 либо дифферен-
циальную реактивную катушку,
либо первичную обмотку дифференциального
трансформатора (фиг. 23-3).
Если бы активное сопротивление га и ин-
дуктивность рассеяния xs дифференциальной
реактивной катушки были равны нулю, то такая
катушка обладала бы нулевым сопротивлением
для тока от источника питания цепи. В такой
идеальной дифференциальной реактивной ка-
тушке суммарный магнитный поток, образо-
ванный обеими половинами обмотки, был бы
равен нулю, так как токи в обеих обмотках
равны и противоположны по направлению.
Фиг. 23-3. Схемы цепей моста переменного тока с диф-
ференциальной реактивной катушкой и с
трансформатором
Одновременно такая идеальная дифферен-
циальная реактивная катушка должна обладать
весьма большим индуктивным сопротивлением
хк (по сравнению с сопротивлением гг из-
мерителя), вследствие чего измерительная
диагональ будет шунтирована весьма большим
сопротивлением.
Таким образом, необходимо так рассчитать
катушку, чтобы
(23-9)
и
(23-10)
Выполнить практически эти два требования
крайне трудно, особенно при ограниченных
габаритах катушки. Стремясь увеличить число
витков (хк пропорционально квадрату числа
витков), мы одновременно увеличиваем га и
152
xs и, наоборот, стремясь уменьшить га и xs
путем уменьшения числа витков, одновременно
уменьшаем и хк. Увеличение числа витков
дает хороший результат лишь при одновре-
менном увеличении диаметра провода обмотки,
что возможно лишь при больших габаритах
реактивной катушки.
Для конкретных технических условий (за-
данного напряжения U и габаритов реактивной
катушки) необходимо найти оптимальные со-
отношения между хк, xs и га. В литературе
[Л. 77] указывается, что оптимальные соотно-
шения имеют место при хк = (6-г-10) X] (xj—
индуктивность преобразователя).
Все сказанное относится и к цепи с транс-
форматором (фиг. 23-3); первичная обмотка
трансформатора играет роль реактивной ка-
тушки. Вместо гг здесь нужно учитывать
приведенное к первичной обмотке сопротивле-
/ац \2
ние измерителя гг(^р-| > где <W\ и w2— числа
витков обмоток трансформатора.
Исследуя рассматриваемые цепи в случае
идеальной реактивной катушки, т. е. при вы-
полнении условий (23-9) и (23-10), тем же
путем, который был приведен в предыдущем
параграфе, мы придем к той же, что и там,
зависимости РГмакс от Р\, т. е. к выражению:
Р 1
Г макс 4 j _j_ cos у
Таким образом, обе симметрии моста в
оптимальном режиме с точки зрения отдачи
мощности измерителю равноценны. Выбор цепи
решается конкретными техническими усло-
виями: если расход мощности источника тока
не ограничен, то выгоднее применить симмет-
рию Zi = Z2 и Z3 = Z4. Если же мощность
источника тока ограничена, то целесообразнее
применить цепи с дифференциальной реактив-
ной катушкой или трансформатором.
Последняя цепь (с трансформатором) об-
ладает еще тем преимуществом, что не связы-
вает выбор числа витков и диаметра прово-
локи первичной обмотки с параметрами изме-
рителя. Вопрос о выборе параметров первичной
обмотки можно решать по соображениям опти-
мального соотношения между xs, хк и г, а
параметры измерителя учитывать соответст-
вующим выбором числа витков вторичной об-
мотки трансформатора.
§ 23-4. Мостовая цепь с измерителем
весьма большого сопротивления i
Под измерителем весьма большого сопро-
тивления здесь понимается либо ламповый }
вольтметр, либо ламповый усилитель (точнее ]
сопротивление сетка — катод первой лампы !
усиления). В обоих случаях можно практиче- J
ски считать, что zr = oo.
В рассматриваемом случае нас, естественно, !
будет интересовать только зависимость на- j
пряжения Ur на измерительной диагонали от j
относительного изменения сопротивления пре- {
образователя е, т. е. чувствительность моста [
к напряжению.
Согласно эквивалентной схеме моста i
(фиг. 23-2) имеем:
( ^1+^1
\ 4~ ^2
za \
Полагая попрежнему, что при сопротивле-
нии преобразователя, равном Z\, мост уравно- ?
вешен, т. е. что ZiZ4 = Z2Z3, и что AZi<Zi, !
можно написать:
<23-н>
Прежде всего докажем, что максимальная
чувствительность к напряжению подобного
моста имеет место в случае симметрии Z[ —
= Z2 и Z3 = Z4.
В самом деле, разделив числитель и зна-
менатель выражения (23-11) на Z[Z4, получим:
Обозначим Z^Z\=k. Тогда, в силу условия
1
k
равновесия моста Z3/Z4 =
и последнее вы-
ражение примет вид:
Найдем оптимальное значение k. Напишем про-
изводную от Ur по k
дйг
dk
(1+1+Д-у
Максимум dUrldk имеет место при 1 —
— -Л- = 0 или при k—\, т. е. при Zi=Z2 и
Z3 = Z4. При этом условии
U —
I.v-акс— 4 — 4 '
Это выражение показывает, что с точки зре-
ния чувствительности моста к напряжению
величина сопротивления преобразователя роли
не играет.
В случае использования дифференциального-
преобразователя
U =U —,
Г макс 2
где е — относительное изменение сопротивле-
ния половины преобразователя.
Глава двадцать четвертая
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСНЫЕ ЦЕПИ
§ 24-1. Принцип действия
и чувствительность автоматических
компенсаторов
В автоматических компенсаторах часть
рабочей цепи выполняется в виде реохорда,
по которому скользит движок, перемещаемый
реверсивным механизмом следящего устрой-
ства. Последнее приводится в действие как
только компенсационная цепь выходит из
равновесия, перемещая движок реохорда в том
направлении и до тех пор, пока не наступит
новое равновесие цепи.
Фиг. 24-1. Схема измерительной цепи
автоматического компенсатора
Таким образом, каждому значению измеря-
емой неэлектрической величины, функционально
связанному с э. д. с. Ех, соответствует вполне
определенное положение движка, отвечающее
равновесию компенсационной цепи. Реохорд
снабжен шкалой, градуируемой в единицах
измеряемой неэлектрической величины.
Отечественные автоматические компенса-
торы выполняются с разделенной рабочей
цепью (фиг. 24-1). Эту же схему обычно изоб-
ражают так, как это показано на фиг. 24-2.
Рабочий ток /2 устанавливается реостатом R
при помощи нормального элемента EN. При
этом также устанавливается совершенно опре-
деленное значение рабочего тока Ц.
Измеряемая э. д. с. Ех компенсируется
падением напряжения Uab между точками а и
b рабочих цепей.
Положим, что при Uab — Ex компенсацион-
ная цепь уравновешена. Тогда при изменении
Ех на ЪЕх в указателе равновесия возникнет
ток, вследствие чего приходит в действие
следящее устройство, перемещающее движок
реохорда до наступления нового равновесия.
В автоматических равновесных приборах
применяются два типа следящих устройств:
электромеханические и ламповые следящие
устройства.
Электромеханическое следящее устройство
управляется непосредственно указателем рав-
новесия (гальванометром), положением его-
стрелки (см. § 24-4). Поэтому скорость пере-
мещения движка реохорда при нарушении
равновесия цепи определяется величиной от-
клонения стрелки указателя равновесия, т. е.
-током 1Г в нем. Этот ток можно выразить
как
I — ——
Г— ’
где Яэ — эквивалентное сопротивление всей
цепи относительно зажимов Ех.
автоматического компенсатора с двой-
ным реохордом
Нетрудно видеть, что каждому положению
движка реохорда соответствуют различные
значения сопротивлений Г] и г2 (фиг. 24-1), а
«следовательно и Rs.
Фиг. 24-4. Схема измерительной цепи
автоматического компенсатора с двой-
ным реохордом
Если под чувствительностью su цепи
нимать в.данном случае величину
_____________________
S4 ЬЕ, ’
по-
то очевидно, что чувствительность цепи и
успокоение гальванометра зависят от положе-
ния движка реохорда.
Для того чтобы избежать зависимости чув-
ствительности и успокоения от положения
движка реохорда, применяют цепь с двойным t
реохордом, изображенную на схеме фиг. 24-3; !
эта же схема может быть изображена так, как f
показано на фиг. 24-4. j
Сопротивления обоих реохордов равны друг f
другу. В цепь Ех всегда включено сопротивле- i
ние, равное Rab-}-rs- Можно так подобрать со- {
противления R2, Rs, Rt и R5, чтобы значе- (
ние сохранялось практически неизмен- |
ным при любом положении движков реохор- t
Дов. J
На фиг. 24-5 изображены кривые Rab =f\ (I), j
г3=/2(0 и ^аь-^гз~/з^) (где/ —длина рео-
хорда, начиная от точки с) для одного из вы- f
полненных компенсаторов СП с электромехани- i
ческим следящим устройством.
Фиг. 24-5. К вопросу о постоянстве
сопротивления цепи измеряемой э. д. с.
Второй реохорд, естественно, увеличивает
сопротивление цепи Ех. Таким образом, одно-
временно с достижением постоянства успокое-
ния и чувствительности цепи, значение
несколько уменьшается. Поэтому компенса-
торы с двойным реохордом используются для
измерения э. д. с. Ех, превышающих 20 мв;
для измерения э. д. с., меньших, чем 20 мв,
применяются компенсаторы с одинарным рео-
хордом.
Указатель равновесия в цепях, подобных
рассмотренным, должен обладать высокой чув-
ствительностью к напряжению, что, как изве-
стно, приводит к требованию малого крити-
ческого сопротивления указателя. Этому же
требованию малого критического сопротивле-
ния должен удовлетворять и выбор значений
сопротивлений компенсационной цепи.
В ламповых следящих устройствах напря-
жение &ЕХ, возникающее при неравновесии,
усиливается ламповым усилителем напряжения
и мощности, поэтому чувствительность ком-
пенсационной цепи как таковой особой роли
не играет.
§ 24-2. Особенности цепи автоматических
компенсаторов, служащих для измерения
т. э. д. с. термоэлектрических пирометров
В § 14-3 было указано, что основной по-
грешностью при измерении температуры тер-
моэлектрическими пирометрами является по-
грешность, обусловленная температурой сво-
бодных концов, поскольку градуировка термопар
производится при температуре 0°С.
Для компенсации этой погрешности, при
использовании автоматического компенсатора
для измерения т. э. д. с., сопротивление R2
(фиг. 24-1 —24-4) выполняется в виде катушки
из никелевой проволоки, помещаемой непосред-
ственно возле зажимов, к которым подведены
свободные концы термопары. Таким образом,
никелевая катушка R2 имеет такую же темпе-
ратуру, что и свободные концы термопары.
Как было показано в § 14-3, э. д. с. тер-
мопары при температуре t рабочего конца и
температуре f0 свободных концов равна:
Е(‘,
где 4 = 0°С — температура свободных концов
при градуировке термопары.
Это уравнение можно переписать следую-
щим образом:
Ех = Ех~е’
здесь Ех — показание пирометра;
Ех— значение т. э. д. с., соответствую-
щее действительной температуре
рабочего конца;
е — погрешность в показаниях пиро-
метра.
Если обратиться к фиг. 24-3, то для контура
-термопары, замкнутой на сопротивления /?2,
и г,, можно написать (г, — сопротивление, эк-
вивалентное обоим реохордам и катушкам /?5
и /?3, между точками d\ нт):
а) для температуры t0 свободных концов
<при градуировке прибора)
Ех — h (*i H~ri) — ^2*20* (24-1)
б) для температуры t'o свободных концов
Ех - е = /!(/?!+ г;) -I2 [RM (1 + а9], (24-2)
где ® = t'a — tQ — изменение температуры сво-
бодных концов;
• а — температурный коэффициент
сопротивления никеля.
Для того чтобы положение движка реохорда
при изменившейся температуре свободных кон-
цов сохранилось прежним, т. е. равным гр не-
обходимо, чтобы, согласно уравнениям (24-1)
и (24-2), соблюдалось условие:
— е = — /2/?20аО,
откуда
*20 = ~’ <24'3)
Фиг. 24-6. Схема . измери-
тельной цепи автомати-
ческого компенсатора для
измерения т. э. д. с.
с электромеханическим
следящим устройством
(типа СП)
Из уравнения (24-3) следует, что каждому
значению 6, т. е. t0, соответствует свое значе-
ние R2Q. Поэтому значение R2Q рассчитывают
для наиболее вероятной температуры свобод-
ных концов, обычно 20°С. Практически урав-
нение (24-3), рассчитанное для одной темпе-
ратуры свободных концов, сохраняет силу для
всего диапазона температур свободных концов,
так как угловой коэффициент кривой R2=f(f)
близок к угловому коэффициенту кривой т. э. д. с.
в диапазоне возможных температур свободных
концов.
В качестве примера, на фиг. 24-6 показана
измерительная цепь автоматического компенса-
тора для измерения
т. э. д. с. с электроме-
ханической следящей
системой, типа СП.
Рабочий ток в цепи
источника питания Б
равен 4 ма для сред-
них и больших преде-
лов измерения (выше
20 мв) и 10 ма — для
малых пределов изме-
рения. Регулировка ра-
бочего тока осущест-
вляется реостатом /?д.
Сопротивление реохор-
да R12 равно 20 ом для
малых пределов изме-
рения и 40 ом — для
больших .пределов из-
мерения. Сопротивле-
ние служит для
подгонки номинального
показания реохорда,
когда движок находит-
ся в конце шкалы
(точка d).
Начальное показание реохорда (движок
в точке с) регулируется плечом R\ моста. Со-
противление R2 из никеля выбирается из сооб-
ражений компенсации температуры свободных
концов, как это было подробно рассмотрено
выше. Сопротивление Ri выбирается такой ве-
личины, чтобы при установке рабочего тока
компенсатора падение напряжения на нем точ-
но равнялось э. д. с. нормального элемента НЭ.
Сопротивление R7 служит для ограничения
тока в нормальном элементе при операции
установки рабочего тока.
Указатель равновесия шунтируется при
установке рабочего тока (переключатель П
в правом положении) сопротивлением R6, соз-
дающим режим критического успокоения его
подвижной части. При измерении э. д. с. тер-
мопары Т указатель шунтируется (из сообра-
жений критического успокоения) сопротивле-
нием Rio только при больших пределах измере-
ния компенсатора (выше 20 мв); при малых
пределах измерения в шунтировании указателя
нет надобности, так как сопротивление его це-
пи близко к его критическому сопротивлению.
Сопротивление Rs служит для подгонки чув-
ствительности указателя равновесия.
§ 24-3. Принцип действия автоматических
мостов и характер их шкалы
Принцип действия автоматических мостов
сводится к следующему. Между двумя плечами
моста включается реохорд, по которому сколь-
зит ДВИЖО1К, перемещаемый реверсивным меха-
низмом следящего устройства. Последнее при-
водится в действие, как только мостовая цепь
выходит из равновесия, перемещая движок рео-
хорда в том направлении и до тех пор, пока не
наступит новое равновесие цепи.
Таким образом, каждому значению изме-
ряемой неэлектрической величины, функцио-
нально связанному с сопротивлением одного из
плеч моста, соответствует вполне определенное
положение движка, отвечающее равновесию
моста.
Реохорд снабжен шкалой, градуируемой
в единицах измеряемой неэлектрической вели-
чины.
Вопрос о чувствительности мостовых цепей
рассмотрен выше, в § 22-2 и 22-3.
Здесь же мы рассмотрим вопрос о получе-
нии линейной шкалы автоматических мостов,
т. "е. вопрос о получении линейности функции
П=/( ^R), где ri—сопротивление реохорда,
отсчитываемое от одного из его концов (приня-
того за нуль шкалы), a &R — изменение со-
противления преобразователя, включенного
в одно из плеч моста.
Возможны два варианта включения реохор-
да в цепь автоматического моста: а) между
двумя плечами, в одно из которых включен
[ Разд. 4 |
преобразователь, и б) между двумя плечамщ j
не содержащими преобразователя. (
Примером первого случая является цепь, I
изображенная на фиг. 24-7. Положим, что при (
равновесии цепи движок реохорда находится J
в точке с и что сопротивление Ri преобразова- |
теля соответствует начальному значению изме- (
ряемой неэлектрической величины. Тогда урав-
нение равновесия 'цепи имеет вид: {
(R1-)-r)R4 = R2R3, (21-1)
где г = Г\-\-г2 — сопротивление реохорда.
Фиг. 24-7. Схема цепи авто-
матического моста с равно-
мерной шкалой в единицах
сопротивления
Положим, что при изменении измеряемой t
неэлектрической величины сопротивление Rj :
увеличилось на величину &R; мост выйдет и» :
равновесия, благодаря чему следящее уст- ;
ройство начнет перемещать движок до наступ- ;
ления нового равновесия, которому будет со- j
ответствовать уравнение: j
(R। -ф- AR -ф- г — г\) Ri = R2 (R3 -ф- г,).
Учитывая уравнение (24-4), получим: \
ARR4—г^4 = Я2Г1,
откуда
о = ^«4^- (24-5)
Таким образом, цепь фиг. 24-7 обеспечи-
вает равномерную шкалу реохорда в единицах
сопротивления AR.
Примером второго случая является вклю-
чение реохорда согласно фиг. 24-8.
Повторяя приведенные выше рассуждения,
получим уравнения:
Rl(R4-\-r) = R2R3-, (24-6)
(/?! + Д/?) (R4 + г — Г!) = R2 (R3 + г,). (24-7)
Вычитая уравнение (24-6) из уравнения (24-7),
получим:
№ + #2 + = № (#4 + Г),
откуда
г ____________ЛП Rt+г
rl — W /?1 + /?2+дд •
(24-8)
Из уравнения (24-8) видно, что шкала рео-
хорда в единицах сопротивления А/?, в случае
Фиг. 24-8. Схема цепи авто-
матического моста с нерав-
номерной шкалой в едини-
цах сопротивления
цепи фиг. 24-8, не будет линейной. Для полу-
чения шкалы, близкой к равномерной, надо,
чтобы
Часто реохорд автоматических мостов шун-
тируется сопротивлением, служащим для ре-
гулировки предела измерения прибора. Пока-
Фиг. 24-9. Шунтирование реохорда автоматического
моста
жем на примере цепи фиг. 24-7, что приклю-
чение шунта к реохорду не влияет на харак-
тер шкалы.
Преобразуем треугольник сопротивлений
cda (фиг. 24-9) в эквивалентную звезду. Сопро-
тивления и г2, входящие в плечи последо-
вательно с и /?8, согласно формулам пре-
образования, соответственно равны:
r + Ru ’ 2 r + Rm
При Д/? —О, когда движок находится в точ-
ке с, уравнение равновесия моста можно вы-
разить как
/ rR,,, \
(24-9)
Уравнение равновесия моста при Д/?=^0
будет иметь вид:
\ 1 । /
(г R \
(24'10>
Вычитая уравнение (24-9) из уравнения
(24-10), получим:
дор rlRiu р ---------Р r^RM
откуда
Сравнивая уравнение (24-11) с уравнением
(24-5), видим, что включение шунта /?и, не влияя
на линейность шкалы реохорда, позволяет из-
менить постоянную прибора в единицах сопро-
тивления Д7? или в единицах измеряемой не-
электрической величины.
§ 24-4. Электромеханическое следящее
устройство автоматических компенсаторов
и мостов (типов СП и СМ)
Выше было упомянуто, что в отечественных
автоматических компенсаторах используются
следящие устройства двух типов: электромеха-
нические и ламповые.
Электромеханическое следящее устройство
применяется в компенсаторах типа СП и пред-
ставляет собой довольно сложную кинемати-
ческую цепь из рычагов, зубчатых колес и
эксцентриков реверсивного механизма, переме-
щающего движок реохорда и управляемого пе-
ремещением стрелки указателя равновесия
(фиг. 24-10).
Конец стрелки 3 магнитоэлектрического
гальванометра помещается между неподвижной
дугой 4 и подвижной дугой 5. Движением по-
следней управляет ступенчатый столик 6, меха-
нически связанный с управляющим устрой-
ством. Когда управляющий механизм не воз-
действует на ступенчатый столик 6, пружины П
оттягивают столик, а вместе с ним и дугу 5
вверх, и стрелка оказывается зажатой между
дугами 4 и 5. Ступенчатый столик перемещает-
ся вниз под воздействием управляющего меха-
низма один раз за время 3,6 сек.; при этом он
увлекает за собой дугу 5, и стрелка гальвано-
метра, освобождаясь, отклоняется на угол, со-
ответствующий току, протекающему через рам-
ку гальванометра. После того как действие
управляющего механизма на ступенчатый сто-
Фиг. 24-10. Кинематическая схема следящего устройства компен-
сатора СП
лик прекращается, последний возвращается
пружинами П вверх и поднимается до тех пор,
пока одна из его ступенек не встретит стрелку.
Таким образом, высота подъема (возврата)
ступенчатого столика определяется отклоне-
нием стрелки; при отклонении стрелки вправо
от нуля высота подъема ступенчатого столика
мала, при отклонении стрелки влево от нуля
высота подъема велика.
Перемещение ступенчатого столика управ-
ляет перемещением так называемой вторичной
стрелки следящего устройства, которая, в свою
очередь, управляет перемещением движка рео-
хорда.
Все следящее устройство приводится в дви-
жение однофазным синхронным двигателем
с редуктором, уменьшающим скорость враще-
ния двигателя до 162/з об!мин. На валу двига-
теля насажены два профилированных кулачка
10 и 11 (фиг. 24-10, двигатель на фигуре не
показан). Кулачок 10 управляет движением ки-
нематического узла, соединяющего стрелку
гальванометра со вторичной стрелкой 12, а ку- {
лачок 11 управляет кинематическим узлом, свя- ?
зывающим вторичную стрелку с движком рео- j
хорда. j
Рассмотрим сначала работу кинематическо-1
го узла, которым управляет кулачок 10. На ;
этот кулачок непосредственно упирается роли-)
ком распределительный рычаг 9„t
который при помощи пружины 14;
одним своим концом прижат I
к балансирному рычагу 8, непо- !
движно закрепленному на оси 7.
Загнутый конец оси 7 непосред- L
ственно соприкасается со ступен- ;
чатым столиком 6. [
В положении, показанном на •
фигуре, ступенчатый столик 6 >
вместе с дугой 5 оттянуты вниз, {
и стрелка 3 свободна (пружины 11 •
натянуты). Но как только рас- i
пределительный рычаг 9 под дей- )
ствием кулачка 10 отклонится от •
положения, показанного на фи- ’
гуре, и перестанет нажимать
своим концом на балансирный
рычаг 8, пружины П будут под-
нимать ступенчатый столик до
тех пор, пока он не коснется од-
ной из своих ступенек стрелки и
не прижмет последнюю к непо-
движной дуге 4. При этом, есте-
ственно, ось 7 и балансирный рьи-
чаг 8 повернутся на угол, опре-
деляемый перемещением ступен-
чатого столика, так как загнутый конец
оси 7 будет перемещаться вверх вместе со
ступенчатым столиком, а балансирный рычаг 8
свободен, на него не нажимает конец рычага 9.
На оси 7 свободно сидит вторичная стрелка 12
корытообразного сечения, имеющая прорезь
в дне и опирающаяся в загнутый конец балан-
сирного рычага 8. Следовательно, когда ось 7
вместе с балансирным рычагом 8 повернется
на некоторый угол, то на такой же угол повер-
нется и вторичная стрелка 12.
Таким образом, угол отклонения стрелки
гальванометра определяет высоту подъема сту-
пенчатого столика 6, угол поворота оси 7,
а вместе с ней положение рычага 8 и вторич-
ной стрелки 12.
Рассмотрим теперь работу кинематического
узла, действующего от кулачка 11. Этот кула-
чок через ролик 18 воздействует на ступенча-
тый рычаг 16, который своими отростками
(фиг. 24-11) через рычаги 28 шарнирно соеди-
нен с захватывающими шестерню 21 собачка-
ми 20. Шестерня 21 через малую шестерню 22
(фиг. 24-10) перемещает каретку пера 23, а че-
рез конические шестерни 24 и 27 — движок 26
реохорда 25. Сцепление одной из собачек 20
с тем или другим зубом шестерни 21 опреде-
ляет как направление, так и угол поворота ше-
стерни 21. Заметим, что одновременного сцеп-
ления обеих собачек с шестерней не может
произойти. Сцеплением собачек с шестерней 21
управляет вторичная стрелка 12, осуществляя,
таким образом, связь между кинематическими
Фиг. 24-11. Узел кинематической
схемы компенсатора СП
узлами кулачков 10 и 11, а следовательно,
между положением стрелки гальванометра и
поворотом шестерни 21.
Эта связь между положением вторичной
стрелки 12 и положением собачек 20 осуще-
ствляется следующим образом. В прорезь вто-
ричной стрелки входит своим концом тормоз-
ной рычаг 13, имеющий три ступеньки. Втулка
рычага 13 свободно сидит на оси шестерни 21.
Пружина 14 прижимает тормозной рычаг к вто-
ричной стрелке. К втулке тормозного рычага 13
прикреплена плоская пружина 15, расположен-
ная между собачками 20 и играющая важную
роль в управлении работой собачек. Следует
отметить, что для ббльшей ясности фиг. 24-10
тормозной рычаг 13 изображен несколько ле-
вее от своего местонахождения. В действи-
тельности он помещается на своей втулке не-
посредственно возле шестерни 21 (фиг. 24-11).
Если пластинчатая пружина 15 находится
в нейтральном положении, т. е. не нажимает
на собачки 20, то сцепления собачек с зубцами
шестерни 21 не происходит; если же пружина
нажимает на одну из собачек, то последняя
захватывает зубец шестерни 21.
Теперь вернемся к работе тормозного ры-
чага 13. Когда ступенчатый рычаг 16 отжи-
мается под действием кулачка 11 (через ролик
18), то его лапка 17, зацепляясь за выступ тор-
мозного рычага 13, оттягивает последний
вверх и освобождает вторичную стрелку 12.
Эта стрелка, как было указано выше, под дей-
ствием собственного веса опускается вниз до-
тех пор, пока не упрется в загнутый конец ба-
лансирного рычага 8. Когда ролик 18 проходит
максимальный радиус кулачка 11, спиральная
пружина возвращает ступенчатый рычаг 16
вперед (вниз); последний отпускает тормозной
рычаг 13, который зажмет одной из своих сту-
пенек вторичную стрелку 12. Таким образом,
вторичная стрелка и тормозной рычаг взаимно
фиксируют положение друг друга, т. е. то по-
ложение, которое, как это было выяснено выше,
определяется отклонением стрелки гальвано-
метра; фиксируется, следовательно, и положе-
ние плоской пружины 15.
Ступенчатый рычаг 16, наклоняясь вперед
(вниз), под действием спиральной пружины,
рычагами, связывающими его с собачками, за-
ставляет последние расходиться по окружности
в противоположные стороны. Если положение
плоской пружины такое, что она не нажимает
ни на одну из собачек (что имеет место при
положении стрелки гальванометра на нуле), то
шестерня 21 остается неподвижной; если же
плоская пружина 15 нажимает на одну из со-
бачек (что имеет место при отклонении стрел-
ки гальванометра от нуля в ту или другую сто-
рону), то эта собачка сцепляется с шестер-
ней 21, и последняя поворачивается на некото-
рый угол. Этот угол опять-таки определяется
положением вторичной стрелки, т. е. отклоне-
нием стрелки гальванометра, так как опуска-
ние (вперед — вниз) ступенчатого рычага про-
исходит до тех пор, пока одна из его ступенек
не упрется в загнутый выступ вторичной
стрелки 12.
Подъем ступенчатого столика 6 должен
быть так отрегулирован, чтобы при соприкос-
новении средней ступеньки столика со стрел-
кой 3 шестерня 21 оставалась неподвижной.
Эта регулировка осуществляется регулировоч-
ным винтом, который находится наверху ба-
лансирного рычага 8. Перемещая винт, можно
непосредственно отрегулировать «ход» рычага
под действием собственного веса.
Механизм для подачи бумаги состоит из
храпового колеса 29, ступенчатого кулака 30,
укрепленного на коромысле, который откло-
няется вниз концом распределительного рыча-
га 9 один раз за цикл (за 3,6 сек.).. Червяк,
сидящий на одной оси с храповым колесом 29,
сцеплен с червячной шестерней, находящейся
на оси ведущего барабана диаграммной ленты.
С помощью ступенчатого кулака 30 можно
менять скорость движения диаграммной бума-
Фиг. 24-12. Реохорд
компенсатора СП
ги. Устанавливая (специальным винтом) кулак
30 на одну из цифр—4, 2,3, 4,5,6, проставлен-
ных на кулаке, получают скорости подачи бу-
маги, равные 25, 50, 75, 100, 125 и 150 мм!час.
Реохорд (фиг. 24-12) выполняется из ман-
ганиновой проволоки 1 в виде спирали, намо-
танной на стержень из латуни; длина
развернутой спирали 100 см, число
витков 1600. Спираль укладывается на
бакелитовом барабане с винтовой на-
резкой на боковой поверхности. Дви-
жок представляет собой металличе-
ский шарик 2, перемещающийся при
повороте кулисы 3 вокруг барабана
одновременно по желобку барабана и
продольному прорезу кулисы. В ниж-
ней части бакелитового барабана
укреплен регулировочный реостат 4
для установки рабочего тока, движок 5
которого поворачивается от руки ди-
ском 6. Цифрой 7 обозначен рычаг
переключателя реохорда, который имеет
три положения: «черта» — измерение,
«0» — поверка механического нуля и
«бал»—установка рабочего тока. Циф-
рой 8 обозначена коническая шестерня,
вращающая движок реохорда.
Реохорд вместе с регулировочным реоста-
том заключен в стеклянную банку, заполняе-
мую специальным маслом, для защиты от кор-
розии.
Продолжительность рабочего цикла управ-
ляющего механизма составляет 3,6 сек. Основ-
ная погрешность, происходящая от неточности
сборки, намотки реохорда и вычерчивания шка-
лы, составляет +0,5%.
§ 24-5. Ламповое следящее устройство
автоматических компенсаторов и мостов
типов ЭПВ, ЭПД, ЭПП, ЭМВ, ЭМД и ЭМП
Принципиальная схема лампового следяще-
го устройства изображена на фиг. 24-13 приме-
нительно к компенсационной цепи. Сама ком-
пенсационная цепь показана здесь, как ее чаще
всего рисуют, в мостовом виде (ср. фиг. 24-2
и 24-4).
При включении переключателя П в поло-
жение И (измерение), измеряемая э. д. с. Ех
уравновешивается падением напряжения U аЬ
между точками а и b рабочей цепи компенса-
тора. Если Ex=^=Uab, то разность Ех — Uab через
электромагнитный (вибрационный) преобразова-
тель *3 попадает на первичную обмотку транс-
форматора 4.
В автоматических мостах, питаемых пере-
менным током, к первичной обмотке транс-
форматора приключается непосредственно из-
мерительная диагональ моста (точки а и Ь).
Поскольку обмотка возбуждения электро-
магнитного преобразователя питается перемен-
Фиг. 24-13. Принципиальная схема измерительной цепи лампового
следящего устройства
ным током частотой 50' гц, то с той же ча-
стотой будут по очереди включаться под на-
пряжение (Ех— Uab) обе половины первичной
* Работа электромагнитного преобразователя де-
тально описана выше, в § 20-3.
обмотки трансформатора. Так как токи в каж-
дой из половин первичной обмотки имеют про-
тивоположное направление, то во вторичной
обмотке трансформатора 4 возникает перемен-
ная э. д. с. частотой 50 гц.
Эта э. д. с. усиливается по напряжению
в трехкаскадном ламповом усилителе 5. По-
следняя ступень усиления приключена к уси-
лителю мощности 6, питающему обмотки ре-
версивного электродвигателя, вал которого
через редуктор связан с движком реохорда Rp,
со стрелкой и пером пишущего устройства
(перемещение бумаги осуществляется отдель-
ным синхронным электродвигателем).
Сопротивление R$ и конденсатор С^, обра-
зующие Г-образный фильтр на входе компен-
сатора, а также конденсаторы С1 и С2 пред-
ставляют малое сопротивление для переменных
токов, создаваемых переменными э. д. с., ин-
дуктируемыми в линии, соединяющей объект
измерения с компенсатором. В случае длинных
линий эти э. д. с., усиленные ламповым уси-
лителем, могут явиться источником значитель-
ных дополнительных погрешностей измерения.
Обычно процесс уравновешивания протекает
с такой скоростью, что время, необходимое
для того, чтобы при измерении Ег на весь
предел измерения каретка с пером прошла по
всей длине шкалы, равно от 6 до 30 сек. Однако
некоторые модификации ламповых компенса-
торов характеризуются ббльшим быстродей-
ствием; каретка пера в них проходит всю
шкалу в течение 1 — 1,5 сек.
В этом случае необходимо принять меры
для дополнительного успокоения движения ка-
ретки. Успокоение достигается путем приме-
нения отрицательной обратной связи по первой
производной, для чего на общей оси с основ-
ным реохордом устанавливается второй рео-
хорд Rp.
Реохорд R питается от отдельного источ-
ника. Напряжение, снимаемое с этого реохорда,
дифференцируется цепью С R , благодаря чему
напряжение на сопротивлении R оказывается
пропорциональным скорости перемещения движ-
ка реохорда; это напряжение включается на-
встречу напряжению (Ел— ЕаЬ) на вход уси-
лителя.
Регулировкой тока в реохорде R можно
добиться необходимой степени успокоения под-
вижной каретки с пером.
Рабочий ток компенсатора устанавливается
при помощи нормального элемента НЭ, для
чего переключатель П переводится в положе-
11 А. М. Туричии.
ние К. Этот перевод переключателя осуще-
ствляется автоматически, через каждые 2 час.
40 мин. кинематическим устройством, действую-
щим от синхронного электродвигателя, который
служит для перемещения диаграммной бумаги
(этот же электродвигатель управляет работой
переключателя измеряемых э. д. с.).
Так как э. д. с. нормального элемента
(1,0183 в) значительно больше измеряемой
э. д. с. (20—50 мв), то для защиты нормаль-
ного элемента от перегрузки и уменьшения
чувствительности при переключении переклю-
чателя /7 в положение К включается сопротив-
ление Rr.
Схема цепи усилителя компенсатора
ЭПП-09 изображена на фиг. 24-14. Трехкас-
кадный усилитель напржкения собран на двой-
ных триодах 6Н9; каждый каскад имеет ко-
эффициент усиления, равный 45—50. Для уси-
ления напряжения использованы оба триода
первой лампы Лх и один триод второй лам-
пы Л2‘, второй триод второй лампы использо-
ван в качестве выпрямителя для получения
напряжения постоянного тока, питающего
анодные цепи ламп усилителя.
Связь между ступенями выполнена на со-
противлениях. Регулировка коэффициента уси-
ления (чувствительности компенсатора) осуще-
ствляется делителем напряжения Rt, включен-
ным на входе третьей ступени усиления (пер-
вого триода второй лампы).
Третья ступень усилителя напряжения вклю-
чена на усилитель мощности, собранный на
двух двойных триодах 6Н7, включенных парал-
лельно. Усилитель мощности питает управляю-
щую обмотку реверсивного асинхронного двух-
фазного двигателя типа РД-09.
Накал лампы первых двух каскадов осу-
ществляется от специальной, заземленной об-
мотки трансформатора. Заземление накала
уменьшает внутренние помехи усилителя.
Накал второй лампы усилителя осуществляется
от другой, незаземленной обмотки трансформа-
тора. В этой лампе заземление накала может
повести к пробою между накалом и катодом
второй половины лампы Л2, так как у нее ка-
тод находится под высоким положительным
потенциалом относительно земли.
Для ослабления связи между каскадами че-
рез общий источник анодного питания, в анод-
ные цепи ламп включены развязывающие
фильтры /?4, /?6, С4, С5, С6.
Автоматические ламповые компенсаторы и
мосты выпускаются в различных модифика-
циях. Приборы типа ЭПВ и ЭМВ имеют вра-
щающуюся шкалу, длина которой достигает
600 мм, и отличаются сравнительно малыми
габаритами. Время прохождения циферблатом
всей шкалы не более 8 сек.
Приборы типов ЭПД и ЭМД имеют диско-
вую диаграмму, совершающую один оборот за
(300 мм). Время, необходимое для прохожде-
ния стрелкой всей шкалы, — от 1 до 30 сек.,
в зависимости от модификации прибора.
Точность автоматических ламповых прибо-1
ров характеризуется основной погрешностью, F
24 часа. Время, необходимое для прохождения
стрелкой всей шкалы" для самопишущих при-
боров составляет 30 сек., а для показываю-
щих — 45 сек.
Приборы типов ЭПП и ЭМП имеют диа-
граммную бумагу в виде широкой ленты
достигающей 0,5%. Все узлы измерительной J
цепи автоматических ламповых приборов пи-
таются от сети переменного тока 127 или 220 в. (
Изменение напряжения питания на + 10% и(
частоты на +5% не вызывает дополнительной(
погрешности. {
Часть третья
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Раздел пятый
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В настоящем разделе рассмотрены электри-
ческие приборы для измерения механических
величин: линейных размеров и малых переме-
щений, деформаций и напряжений в деталях,
сосредоточенных сил и давлений, вращающих
моментов, скоростей вращения, вибраций и
ускорений, уровня, шероховатости (чистоты)
поверхности.
Во всех этих приборах используются пре-
образователи, описанные в первой части книги,
и измерительные цепи, в основном описанные
во второй части.
Электрические приборы для измерения ме-
ханических величин весьма разнообразны.
В настоящем разделе описаны лишь основ-
ные типы этих приборов.
Глава двадцать пятая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ
РАЗМЕРОВ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (МИКРОМЕТРЫ)
К этой группе приборов следует отнести:
приборы для измерения линейных размеров и
для контроля отклонения от заданного размера
(электрические микрометры).
25-1. Индуктивные микрометры
Преобразователи индуктивных микромет-
ров конструктивно выполняются как с рычаж-
ной передачей от измерительного штока к яко-
рю, так и без нее.
Преобразователи без рычажной передачи
конструктивно проще, но обладают весьма су-
щественным недостатком: перемещение якоря
равно измеряемому перемещению, что ведет
к малому значению относительной чувствитель-
ности s, а следовательно, к большей погреш-
ности (см. § 9-4).
В преобразователях с рычажной передачей
от измерительного штока к якорю, перемеще-
ние якоря в десятки раз больше, чем измеряе-
мое перемещение, что ведет к большим значе-
ниям s и к малым погрешностям измерения.
Необходимо, однако, учесть, что рычажная пе-
редача может вызвать погрешность, обуслов-
ленную мертвыми ходами элементов передачи.
Примером индуктивного дифференциально-
го преобразователя безрычажного типа может
11*
служить преобразователь микрометра, изобра-
женный на фиг. 25-1.
Измерительный шток 1 с напрессованным
на него якорем 2 скользит в отверстии корпу-
Фиг. 25-1. Индуктивный диф-
ференциальный преобразова-
тель безрычажного типа
са 3. Массивные цилиндрические сердечники 4
и 5 из мягкой стали с вложенными в них ка-
тушками 6 и 7 плотно входят в корпус 3. Воз-
душный зазор между якорем и сердечниками
фиксируется кольцом 8 из немагнитного мате-
риала. Крышка 9 стягивает сердечники и коль-
цо 8. Пружина 10 создает необходимое измери-
тельное усилие. Втулка 11 служит для крепле-
ния преобразователя.
В качестве примера на фиг. 25-2 изображен
индуктивный дифференциальный преобразо-
ватель рычажного типа.
Фиг. 25-2. Индуктивный дифференциальный
преобразователь рычажного типа
Измерительный шток 1 скользит в направ-
ляющих втулках 2 корпуса 3. Коленчатый хо-
мутик 4, укрепленный на измерительном штоке,
несет упорный штифт 5, предохраняющий шток
от вращения; хомутик 4, кроме того, служит
упором рычагу 6 при ручном подъеме штока.
Якорь 7, прикрепленный к корпусу на угловой
пластинчатой пружине 8, заканчивается в ниж-
ней части кронштейном 9, по которому пере-
двигаются салазки 10 с клином И, устанавли-
вающим взаимное положение измерительного
штока и якоря. Винтом 12, передвигая салазки,
можно регулировать нейтральное положение
якоря. Прямоугольные катушки 13 посажены
на сердечник 14. Магнитная цепь состоит из
сердечника 14 и ярма 15. Катушки с сердечни-
ком и ярмом крепятся к корпусу на пластинча-
тых пружинах 16. Воздушный зазор регулирует-
ся винтами 17, позволяющими перемещать сер-
дечники относительно якоря. Винты 18 и 19
ограничивают перемещение якоря. Усилие,
с которым нижняя головка штока прижимается
к изделию, и измерительное усилие, которое
должен преодолеть шток при своем перемеще-
нии, определяются суммарным действием пру-
жин 8, 20 и 21.
Принцип рычажного устройства преобразо-
вателя микрометра увеличивает чувстви-
тельность последнего. Наименьший пре-
дел измерения описанных микрометров,
при работе их в схемах без ламповых
усилителей и при питании от сети про-
мышленной частотьи, достигает 100 мкн, •
а иногда и десятков микрон, в то время
как в безрычажных микрометрах наи- |
меньший предел измерения 300—500 мкн. ;
Индуктивные микрометры надежны f
в работе и потому находят все большее'
применение как в качестве приборов
с визуальным отсчетом, так и в качестве
автоматических приборов для массового
контроля размеров изделий.
§ 25-2. Фотоэлектрические микрометры
Принцип действия фотоэлектрических
микрометров сводится к следующему.
Световой поток от источника света, про-
ходя через отверстие, площадь которого.;
определяется контролируемым размером.'
(например диаметром или шириной кон-
тролируемого отверстия в изделии), по-
падает на фотоэлемент. В зависимости
от контролируемого размера изделия из-
меняется величина светового потока, па-
дающего на фотоэлемент, а следователь-
но, изменяется сила фототока, который после
усиления либо отсчитывается по измерителю,
либо воздействует на исполнительный орган
автоматического устройства, сортирующего
изделия по контролируемому размеру.
В качестве примера на фиг. 25-3 показана
принципиальная схема прибора для контроля,
правильности формы поршневых колец. Порш-
невое кольцо 1 закладывается в шаблон 2; при
повороте шаблона вместе с кольцом контроли-
руется величина зазора между ними по всей
окружности кольца. Зазор не должен превос-
ходить 20 мкн-, ширина участка, на котором
ведется контроль, составляет лишь 4—5 мм, по4
этому световой поток от источника света 3, про-
ходящий через щель на фотоэлемент 5, незна-
чителен и, следовательно, усилитель фототока
должен иметь сравнительно большой коэффи-
циент усиления.
Усиление на постоянном токе при больших
коэффициентах усиления затруднительно. Для
возможности использования усилителя пере-
менного тока необходимо модулировать свето-
вой поток, для чего в схеме фиг. 25-3 применен
зубчатый диск 4, вращающийся электродвига-
телем 6 с постоянной скоростью.
/Г усилителю
Фиг. 25-3. Схема фотоэлектрического
микрометра для контроля правильной
формы поршневых колец
В результате напряжение, снимаемое на
усилитель с нагрузочного сопротивления в цепи
фототока, будет переменным во времени
с амплитудой, определяемой шириной щели,
т. е. контролируемым размером.
§ 25-3. Электрические приборы
для измерения толщин и разностенности
деталей
В настоящем параграфе рассматриваются
приборы для измерения толщины в тех слу-
чаях, когда доступ к объекту возможен только
с одной стороны.
Фиг. 25-4. Схема прибора для измере-
ния толщины листов методом элек-
трического сопротивления
На фиг. 25-4 показана схема прибора для
измерения толщины широких листов металла
методом электрического сопротивления [Л. 57].
Сохраняя постоянными расстояние между па-
рами одинаково обозначенных электродов
(парой Эх — 51 и парой Э2 — Э2) и ток, про-
ходящий через лист, мы получим, что на-
пряжение Ui, показываемое вольтметром Vi,
будет функцией толщины листа и удельного
сопротивления материала. Поэтому для каждо-
го материала необходимо производить отдель-
ную градуировку или вводить соответствующий
коэффициент в градуировку, осуществленную
для одного какого-либо материала. При доста-
точно большом сопротивлении вольтметра со-
противление контактов электродов с листом не
играет роли.
Если вместо одной пары потенциальных
электродов использовать две пары, располо-
женные так, чтобы для одной пары имело место
а для другой пары l2<Za (фиг. 25-3), то
измеренные между двумя парами электродов
падения напряжения U' и U" будут различными.
Можно доказать, что отношение U'/U"
является функцией только значений Ц/а и l2ja
и не зависит ни от тока, ни от материала
листа:
U" J\a’ а )’
или при выбранных 1\ и 12
Если вместо двух вольтметров использовать
логометр, то шкалу последнего можно непо-
средственно градуировать в единицах толщи-
ны листа.
Фиг. 25-5. Схема прибора для измерения толщины
гальванических покрытий
На фиг. 25-5 показана схема прибора, раз-
работанного С. С. Паллей и Б. И. Крепе [Л. 60],
типа ЗТМП-48 для измерения толщины гальва-
нических покрытий (за исключением покрытий
никелем) в диаяазоне 2—60 мкн. Преобразова-
тель представляет собой трансформатор Тр
с разомкнутой магнитной цепью, магнитный
поток которого замыкается через испытуемую
деталь 1 (если эта деталь из ферромагнитного
материала) или через контрольную пластинку,
। обработанную гальванически в точно таких же
условиях, как и испытуемая деталь (как изве-
стно, толщина покрытия не зависит от матери-
ала покрываемых изделий и в большинстве
случаев от формы изделий).
Величина магнитного потока трансформато-
ра при заданной м. д. с. первичной обмотки,
естественно, зависит от толщины покрытия 2;
следовательно, индуктированная во вторичной
обмотке э. д. с. будет функцией толщины по-
крытия.
Магнитоэлектрический измеритель включен
через выпрямительный узел. Реостат позво-
ляет регулировать равновесие цепи пци отсут-
Фиг. 25-6. Схема ионизационного прибора для
измерения разностенности детали
ствии покрытия на контрольной пластинке.
В приборе предусмотрено два предела изме-
рений: 30 и 60 мкн (введением дополнительных
сопротивлений, не показанных на фиг. 26-5).
С контрольных пластинок после измерения
снимают покрытие гальваническим путем
с тем, чтобы использовать их для дальнейших
измерений.
Питание прибора производится от сети пе-
ременного тока напряжением 220 в через
трансформаторы Tplt Тр2 и бареттор Б.
Ионизационные приборы для измерения
разностенности деталей. На фиг. 25-6 в каче-
стве примера показан разрез детали и измери-
тельная цепь прибора для измерения при по-
мощи рентгеновских лучей * разностенности
в сечении О — О [Л. 57].
* Описываемый прибор был выполнен применительно
к использованию рентгеновских лучен. Однако принци-
пиально его можно использовать и с f-лучами, полу-
чаемыми от ампулы с радиоактивным веществом (§12-2).
Так как отверстие а детали узкое (4 мм),
то измерение толщины стенок в сечении О—О
обычным мерительным инструментом крайне
сложно.
Поскольку ввести ионизационную камеру
(см. § 12-1) внутрь детали в данном случае не-
возможно, то в качестве камеры использована
сама деталь 1. Наружным электродом является
тело детали, а внутренним электродом 2 — тон-
кая игла, введенная через отверстие а и хоро-
шо изолированная от стенок детали.
Рентгеновские лучи, пройдя сквозь стенку
детали, ионизируют воздух, заполняющий ее
внутреннюю полость. Возникающий между
центральным электродом и внутренней поверх-
ностью детали ионизационный ток усиливается
усилителем постоянного тока па электрометри-
ческой лампе. Таким образом, измеритель Г
в цепи анодного тока может быть градуирован
непосредственно в единицах толщины стенки
детали при строгом постоянстве напряжения
всех источников питания.
Если деталь имеет разную толщину стенок,
то при ее повороте вокруг оси интенсивность
рентгеновских лучей, проходящих во внутрен-
нюю полость, будет различна, а следовательно,
различным будет и ионизационный и анодный
токи.
Так как ионизационный ток, проходящий
через сопротивление /?, очень мал, то, есте-
ственно, что сеточный ток в лампе должен
быть по крайней мере на два порядка меньше.
Требованию столь малого сеточного тока, или,
что то же, большого входного сопротивления,
удовлетворяют электрометрические лампы (см.
§ 19-3).
Интенсивность рентгеновских лучей в зна-
чительной степени зависит от напряжения, пи-
тающего рентгеновскую установку, что вызы-
вает повышенные требования к стабилизаторам
напряжения.
Прибор для измерения разностенности труб.
В тех случаях, когда приходится измерять тол-
щину стенок, замыкающих полость, и когда,
следовательно, электрод ввести внутрь полости
невозможно, приходится использовать иони-
зационные камеры, расположенные вне де-
тали.
В качестве примера на фиг. 25-7 схемати-
чески изображено устройство прибора для
измерения эксцентриситета и разностенности
детали с цилиндрической полостью [Л. 57].
Внутри корпуса 1 помещен держатель 2
с испытуемой деталью 3. При помощи микро-
метрического винта 4 и пружины 5 держатель
вместе с деталью может перемещаться вдоль
корпуса. Держатель имеет в сечении прямо-
угольную форму и выполнен из того же метал-
ла, что и испытуемая деталь.
Рентгеновские или у-лучи двумя пучками
попадают в две ионизационные камеры 6 и 7,
.пройдя через щели 8, держатель и деталь.
Внутренние электроды 9 и 10 соединены вместе
и включены на сетку одной из ламп. Корпусы
камер подключены к разноименным полюсам
батарей; при таком включении ионизационные
токи, возникающие в каждой камере, взаимно
компенсируют друг друга. Вторая лампа не
является в этой цепи самостоятельным- измери-
телем ионизационного тока, а служит только
для компенсации начального анодного тока
первой лампы. Применение дифференциального
ионизационного преобразователя и симметрич-
ной цепи усилителя постоянного тока делает
работу прибора менее зависящей от коле-
баний напряжения всех источников питания
прибора.
Перед началом работы в держатель 2 уста-
навливается образцовая деталь, у которой
отсутствует разностенность. Шкала микромет-
рического винта устанавливается на нуль. При
равенстве характеристик ионизационных камер
и при равной интенсивности лучей, попадаю-
щих в каждую из них, стрелка измерителя уста-
навливается в нулевое положение.
Если вместо образцовой детали в держа-
тель 2 поместить теперь испытуемую деталь
с некоторой разностенностью, то интенсивности
лучей, попадающих в камеры, будут различны,
и стрелка измерителя отклонится от нуля. Вра-
щая деталь вокруг ее оси, находят положение
детали, отвечающее максимальному отклоне-
нию измерителя, т. е. максимальной разностен-
ности. После этого, поворотом микрометриче-
ского винта 4, смещают держатель 2 и деталь
до тех пор, пока интенсивности лучей, попа-
дающих в обе камеры, снова не станут равны-
Фиг. 25-7. Схема ионизационного прибора для
измерения разностенности труб
ми, т. е. пока стрелка измерителя снова не при-
дет на нуль. Величина смещения держателя,
отсчитываемая по шкале микрометрического
винта, дает при этом искомую величину экс-
центриситета (т. е. половину величины разно-
стенности) .
Глава двадцать шестая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ
УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ ТЕЛ (УРОВНЕМЕРЫ)
§ 26-1. Реостатные уровнемеры
В качестве примера подобных приборов
приводим описание бензиномера. Устрой-
ство преобразователя показано на фиг. 26-1.
-От поплавка 1, погружаемого в бак с бензи-
ном, идут тяги и рычаги 6—7 к движку 2 рео-
стата 3. Для того чтобы пары бензина не могли
проникнуть в камеру реостата, рычаг, передаю-
щий перемещение поплавка к движку, прохо-
дит через гибкую металлическую гофрирован-
ную трубку (сильфон) 4; эластичный сильфон,
герметизируя камеру, не препятствует, однако,
качанию рычага. Крышка преобразователя вы-
полнена из плексигласа, заключенного в метал-
лический ободок. Крепление преобразователя
к баку производится при помощи фланца 5.
Измерительная цепь описываемого бензино-
мера приведена на фиг. 26-2. Измерителем яв-
ляется магнитоэлектрический логометр, обе
рамки которого включены последовательно
с сопротивлениями /?1 и /?2 реостатного преоб-
разователя. При изменении положения движка,
связанного с поплавком, токи в обеих рамках
изменяются с различными знаками, вследствие
чего изменяется отношение токов в рамках,
а следовательно, и отклонение стрелки измери-
теля. Сопротивления и и г2 служат для регули-
ровки прибора на заданный предел измерения.
Шкала измерителя градуирована в литрах
остающегося в баке бензина.
Фиг. 26-2. Измеритель-
ная цепь бензиномера
Фиг. 26-1. Преобразователь элек-
трического бензиномера
Так как на самолете имеется несколько ба-
ков, то желательно иметь возможность измере-
ния уровня бензина в каждом баке отдельно,
а также суммарного количества бензина во
всех баках самолета при использовании одного
лишь измерителя. При этом необходимо учесть
то обстоятельство, что баки имеют различный
объем и различную форму. Поэтому и реостат-
ные преобразователи должны быть выполнены
различными по сопротивлению и по профилю,
т. е. по характеру кривой R = f(l), где I — пе-
ремещение движка от начального положения.
Цепь измерителя с пятью преобразователя-
ми показана на фиг. 26-3. Переключатель в по-
ложениях 1, 2, 3, 4 и 5 приключает измеритель
к соответствующему преобразователю, а в по-
ложении с приключает к измерителю суммар-
ное сопротивление всех преобразователей.
Измеритель имеет двойную шкалу; по одной
шкале ведется отсчет суммарного количества
бензина (во всех баках), а по второй шкале —
отсчет количества бензина в каждом из баков,
в зависимости от положения переключателя.
Сопротивления /?,„ , /?/, Rx", R2, R2 и гш слу-
жат для регулировки обоих пределов измере-
ния бензиномера.
Основным требованием, предъявляемым 1
к прибору, является требование возможно ;
большей равномерности шкалы. Другим требо- \
ванием является взаимозаменяемость преобра- :
зователей.
Условие взаимозаменяемости следует пони-
мать следующим образом. Если выходит из
строя один из преобразователей комплекта, то
его можно заменить другим преобразователем,
рассчитанным для того же бака, не заменяя
остальных преобразователей прибора. Требова-
ние взаимозаменяемости можно выполнить f
Фиг. 26-3. Измерительная цепь бензи-
номера с пятью преобразователями
лишь при условии, если размеры и электриче-
ское сопротивление всех секций реостатного
преобразователя будут точно идентичны заме-
няемому.
Погрешность электрических приборов для
измерения уровня, при использовании несколь-
ких преобразователей измерителем, достигает
5—10% от номинального показания. При
использовании логометра в качестве измери-
теля дополнительная погрешность при измене-
нии напряжения питания на +20% не превос-
ходит 1%, а погрешность от изменения окру-
жающей температуры на +10° С не превышает
0,5%.
§ 26-2. Индуктивные уровнемеры
Индуктивные преобразователи в приборах
для измерения уровня представляют собой
либо реактивную катушку с подвижным сердеч-
ником, либо реактивную катушку с неподвиж-
ным сердечником и перемещающимся относи-
тельно катушки короткозамкнутым витком.
В первом типе индуктивных преобразовате-
лей сердечник механически связан с поплавком:
перемещение сердечника внутри катушки вы-
зывает изменение индуктивности, а следова-
тельно, и полного сопротивления Z катушки.
Фиг. 26-4. Дифференциальный
индуктивный преобразова-
тель типа ПЭС
Во втором типе индуктивных преобразова-
телей с поплавком связан короткозамкнутый
виток; перемещение последнего вызывает из-
менение активного сопротивления, а следова-
тельно, и полного сопротивления Z катушки.
В качестве примера устройства индуктивных
преобразователей первого типа на фиг. 26-4
изображен дифференциальный индуктивный
преобразователь типа ПЭС. Внутри катушки 1,
намотанной^ца каркас 2 из немагнитного мате-
риала, перемещается цилиндрический сердеч-
ник 3, выполненный из листовой мягкой стали.
Сердечник.5 посредством штанги 4 (из немаг-
нитного материала) соединен с поплавком.
Благодаря трубке 5 измеряемая среда не мо-
жет воздействовать на намотку катушки. Втул-
ка 6, скрепленная с каркасом катушки, позво-
ляет перемещать последнюю относительно
сердечника и тем самым регулировать нулевое
положение измерителя при начальном положе-
нии сердечника. Все устройство помещено в чу-
гунный корпус. Для того чтобы при перемеще-
нии катушки (при установке на нуль) относи-
тельно сердечника экранирующее действие
чугунного корпуса не изменяло параметров ка-
тушки, предусмотрено дополнительное экрани-
рование катушки шайбами 7 из мягкой стали,
расположенными на торцевых поверхностях
каркаса катушки.
Вес сердечника равен 37 г, длина его 65 мм
и диаметр 11,2 мм. Полная длина катушки
(обеих секций) равна 436,6 мм, наружный диа-
метр 64 мм, диаметр канала 16 мм. Намотка
катушки выполнена из медной проволоки ПЭЛ
диаметром 0,64 мм; число витков 3100.
При перемещении сердечника индуктивные
и полные сопротивления обеих секций катушки
изменяются с разными знаками; при расчете
значений изменения полного сопротивления
секции катушки необходимо учитывать и из-
менение взаимной индуктивности между сек-
циями катушки.
На фиг. 26-5 приведены полученные экспе-
риментально кривые изменения реактивного
сопротивления x=<o(L4-A4) и активного сопро-
тивления г одной из секций катушки в зависи-
мости от перемещения сердечника. На этом же
графике показано изменение значения <оА4 при
перемещении сердечника.
Фиг. 26-5. Кривые изменения
реактигного х, активного г со-
противлений и сопротивления
взаимной индуктивности шМ
в зависимости от перемещения
сердечника
Обе секции катушки включаются, как пра-
вило, в соседние плечи одинарного моста.
В качестве измерителя желательно использо-
вать логометр переменного тока (с целью
исключения погрешности от колебаний напря-
жения источника питания).
Весьма часто измерителем служит второй
преобразователь (фиг. 26-6), сердечник которо-
го механически соединен со стрелкой, переме-
щающейся по шкале. Секции катушек обоих
преобразователей составляют четыре плеча
одинарного моста. Мост находится в равно-
весии, если сердечники обеих катушек располо-
жены симметрично. Если под влиянием изме-
ряемой механической величины сердечник 1
преобразователя переместится, то мост выйдет
из равновесия. При этом токи в катушках из-
мерителя изменятся, и результирующее маг-
Фиг. 26-6. Схема дистанционной
передачи перемещения сердеч-
ника дифференциального пре-
образователя с помощью вто-
рого индуктивного преобразо-
вателя
нитное поле втянет сердечник 2 измерителя
в том же направлении, в каком переместился
сердечник преобразователя. Перемещение сер-
дечника измерителя будет происходить до тех
пор, пока не наступит новое ’равновесие моста.
Следовательно, при идентичности параметров
катушек преобразователя измерителя, сердеч-
ник 2 будет точно воспроизводить перемещения
сердечника 1. Таким образом, рассматривае-
мая мостовая цепь является самоуравновеши-
вающейся. t
Подобная цепь исследована М. А. Архипо-
вым [Л. 2], который пришел к следующим
выводам. На работу рассматриваемой дистан-
ционной передачи (телеизмерительной систе-
мы) оказывает сильное влияние сопротивление
линии связи между преобразователем и изме-
рителем. Если исходить из допустимой погреш-
ности в 2%, то сопротивление линии (для
преобразователя с приведенными выше пара-
метрами) не должно быть выше 4 ом, что со-
ответствует при диаметре проводов, равном
2,5 мм, предельной длине линии в 560 м.
Благодаря крайней простоте всех конструк-
тивных элементов преобразователя и измери-
теля, отсутствию щеток и трущихся контактов,
система действует надежно даже в самых тя-
желых условиях эксплуатации.
Принцип действия индуктивных преобразо-
вателей с короткозамкнутым витком показан
на фиг. 26-7.
Медный цилиндр 1, связанный механической
передачей с поплавком, перемещается, охваты-
вая катушку 2 с неподвижным стальным
сердечником 3. В зависимости от положения
цилиндра изменяются потери в нем на вихре-
вые токи, изменяется, следовательно, актив-
ная составляющая намагничивающего катушку
тока, иначе говоря, изменяется активное (и
полное) сопротивление катушки.
На фиг. 26-7 катушка включена в цепь
одной из рамок логометра; в цепь второй рам-
ки логометра включена реактивная катушка L.
Измеритель, следовательно, работает как обыч-
ный омметр. Само собой разумеется, что ка-
тушка может быть включена и в мостовую
цепь с любым измерителем переменного тока.
На фиг. 26-8 показан прибор для дистан-
ционного измерения уровня с двумя совершен-
но одинаковыми преобразователями типа авто-
синов. Статоры обоих автосинов питаются от
общей сети однофазного переменного тока.
Обмотки роторов с неявно выраженными полю-
сами выполнены трехфазными и соединены
звездой. Концы обмоток роторов выведены на
кольца, сидящие на валах роторов. Оба ротора
соединены друг с другом трехпроворной линией
связи. Один из роторов механически связан
с поплавком; линейные перемещения поплавка
создают угловое перемещение ротора.
При одинаковом положении роторов относи-
тельно статоров в их обмотках индуктируются
э. д. с., соответственно равные по величине и
фазе. При соединении обмоток обоих роторов
друг с другом э. д. с. каждой пары уравнове-
сят друг друга, и в линии связи ток будет
отсутствовать. Если теперь под влиянием пере-
мещения поплавка изменится положение одно-
го из роторов, то э. д. с., индуктированные
в его обмотках, изменятся как по величине, так
л по фазе, равновесие э. д. с. обоих роторов
нарушится, и в линии связи появится ток. Этот
ток создаст вращающий момент во втором ро-
торе, который повернется на такой же угол, как
и первый ротор, т. е. до
положения, соответст-
вующего новому равно-
весию э. д. с. в обмот-
ках обоих роторов.
3
Л поплавку
Фиг. 26-8. Уровнемер с двумя автосинами
Второй ротор может иметь либо стрелку на
валу, либо другое устройство, по показанию
которого производится отсчет измеряемого
уровня.
Достоинством подобной самосинхронизи-
Зэующейся системы является большой угол шка-
нов либо от общей сети, либо от двух напря-
жений, совпадающих по фазе.
§ 26-3. Емкостные уровнемеры
Преобразователь емкостного уровнемера
представляет собой ряд концентрических ци-
линдров, образующих батарею включенных па-
раллельно конденсаторов. Наружный цилиндр
часто служит электростатическим экраном и
кожухом преобразователя. Преобразователь по-
гружают в бак с жидкостью, диэлектрическая
проницаемость которой отлична от диэлектри-
ческой проницаемости воздуха (см. § 10-1).
Уровнемеры градуируются обычно в единицах
веса или объема жидкости в баке. Цилиндры
(обкладки конденсаторов) имеют фигурные
вырезы металла, позволяющие при повороте
одних цилиндров относительно других изменять
характер зависимости емкости преобразователя
от количества жидкости при различной форме
баков.
С увеличением температуры диэлектриче-
ская проницаемость жидкости (например
жидкого топлива) увеличивается, что частично
компенсирует увеличение с ростом температу-
ры объема жидкости. Это обстоятельство поз-
воляет градуировать уровнемер в весовых еди-
Фиг. 26-9. Схема измерительной цепи уровнемера с емкостным преобразователем
лы прибора, ‘ практически достигающий 360°.
Влияние колебаний напряжения и частоты не-
значительно. Система устойчива в работе и
проста в обслуживании.
Недостатком ее является сравнительно боль-
шой расход мощности, порядка 15 ва, а также
необходимость питания статоров,обоих автоси-
ницах (не прибегая к искусственной компен-
сации температурной погрешности).
Емкостный преобразователь уровнемера
включается в цепь автоматического компен-
сатора токов (фиг. 26-9) [Л. 20]. Питающий
измерительную цепь трансформатор имеет
секционированную вторичную обмотку. Пре-
образователь Сх включен на напряжение Uit
а образцовый конденсатор CN включен на на-
пряжение U2. Разность токов, протекающих
через Сх и CN> образует падение напряжения
на сопротивлении /?ь которое подается на вход
усилителя. Это напряжение усиливается двумя
ступенями усилителя (лампа 12АТ7) и усили-
телем мощности на лампе 6AQ5 и через вы-
ходной трансформатор приводит в действие
конденсаторный реверсивный двигатель Д.
Ось двигателя связана механической пе-
редачей с реохордом R, регулирующим на-
пряжение U2 до наступления равенства токов, f
протекающих через конденсаторы Сх и Cv |
(т. е. до равенства нулю тока в Ri). |
Трехконтактный реостат Г\ служит для (
установки нуля прибора. При пустом баке этим |
реостатом регулируют ток в цепи Сх до тех |
пор, пока движок реохорда R не станет на; |
нуль шкалы (крайнее левое деление). j
Трехконтактный реостат г2 служит для |
регулировки прибора на конечное отклонение j
движка реохорда R при полностью заполнен- |
ном баке. I
Глава двадцать седьмая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ
(ЧИСТОТЫ) ПОВЕРХНОСТИ (ПРОФИЛОМЕТРЫ)
Вопрос о количественной оценке шерохова-
тости (чистоты) обработанной металлической
поверхности приобрел важное значение в связи
с ростом требований к точности размеров обра-
батываемых деталей, а также в связи с боль-
шими относительными скоростями частей раз-
личных современных машин и аппаратов.
Качество поверхности деталей машин и
аппаратов непосредственно влияет на коэффи-
циент трения между двумя разделенными слоем
смазки трущимися поверхностями. Если сопря-
женные детали имеют шероховатую поверх-
ность, то их соприкосновение происходит
в относительно небольшом количестве точек,
и удельное давление в этих точках оказывается
значительным, вследствие чего происходит раз-
рыв смазывающей пленки и возникновение
в этих точках контакта металла с металлом,
в результате чего увеличивается коэффициент
трения. Так как при повышении требований
к точности работы современных машин зазоры
между сопряженными деталями незначительны,
то разрыв смазывающей пленки при неболь-
шой толщине слоя ее становится более вероят-
ным. С повышением скорости относительного
перемещения сопряженных деталей вероятность
разрыва смазывающей пленки также возра-
стает. Соотношение между допустимой высотой
шероховатости НМ(,КС и толщиной b смазываю-
щего слоя можно принять равным [Л. 6]:
LJ5
п макс_л 1
Ь —и>1-
Шероховатость поверхности влияет также
на износ детали, на характер подвижной по-
садки. При наличии шероховатости поверхно-
стей сопряженных деталей, после короткого (
срока совместной работы этих деталей, может |
сильно измениться зазор между ними (вслед- |
ствие значительного начального износа); это )
изменение, соответственно, отразится и на ха- t
рактере подвижной посадки. f
Наконец, шероховатость поверхности влияет (
на прочность детали и другие эксплуатацион- }
ные ее качества. [
Существуют разнообразные критерии оцен- )
ки шероховатости поверхности: критерии, даю- I
щие представление об очертании профиля >
поверхности в каком-либо сечении или уста- ?
навливающие высоту неровности относительно ?
некоторой базовой линии в отдельных точках }
профиля, и критерии, характеризующие микро- I
геометрическое состояние поверхности ее сум- I
марной оценкой на некотором участке. I
К числу первых (микротопографических) j
критериев относятся: максимальная высота j
шероховатости (Нмакс), среднее квадратичное f
отклонение шероховатости от средней линии f
(Нск), среднеарифметическое отклонение от i
средней линии (Нса) и др. Критерии второй (
группы (интегральные) связаны обычно с принци- J
пом действия прибора, служащего для’измерения {
шероховатости. Так, например, электроконден- I
саторный критерий характеризует шерохова- !
тость емкостью конденсатора,- являющейся j
функцией шероховатости. »
Согласно ГОСТ 2789-45, в качестве кри- |
терия шероховатости принято значение Нск. |
Существуют разнообразные приборы для из- |
мерения шероховатости металлической поверх- {
ности. Наиболее распространенными являются |
оптические и электрические. Ниже кратко опи-
сываются некоторые электрические приборы
для измерения шероховатости. Все они исполь-
зуют метод ощупывания испытуемой поверх-,
ности.
Метод ощупывания сводится к перемещению
алмазной или сапфирной иглы 1 (фиг. 27-1,а)
вдоль металлической поверхности 2. Игла 1
укрепляется в подвижной части 3 преобразова-
теля и вводится в соприкосновение с испытуе-
Фиг. 27-1. Принцип измерения шероховатости поверхности
методом ощупывания
мой поверхностью под небольшим, по возмож-
ности постоянным, давлением. При перемеще-
нии вдоль поверхности (в направлении стрел-
ки ь) игла, следуя за неровностями последней,
смещается вдоль своей оси (в направлении
стрелки а) на высоту шероховатости.
Приборы, использующие метод ощупыва-
ния, называются профилометрами или профи-
лографами; первые позволяют оценить только
визуально высоту шероховатости,
вторые дают возможность полу-
чить профилограмму поверхности.
Конструкция подвижной части
преобразователя с иглой оказы-
вает большое влияние на точность
измерения; шероховатости. Чем
острее игла и чем больше давле-
ние на нее, тем выше точность
воспроизведения профиля поверх-
ности осевым перемещением иглы.
Однако при этом на конце иглы возникает весь-
ма большое удельное давление, вызывающее
смятие испытуемой поверхности. Чем больше
радиус закругления конца иглы, тем больше
погрешность в определении высоты неровно-
стей поверхности, тем больше искажения про-
филограммы. Поэтому к вопросу о выборе ра-
диуса закругления иглы и давления на иглу
надо подходить со всей осторожностью, учи-
гывая род испытуемого материала и характер
его обработки.
§ 27-1. Пьезоэлектрический профилометр
Профилометры этого типа используют пре-
образователи из длинных пластинок сегнетовой
соли, работающих на изгиб (фиг. 27-1,6),
[Л. 6]. Игла 1 прижимается под действием соб-
ственного веса подвижной части 2 преобразова-
теля к испытуемой поверхности дета-
ли 3, устанавливаемой либо на плите
4, либо на столике 5, в зависимости от
размеров детали. Подвижная часть с
ощупывающей иглой совершает воз-
вратно-поступательное перемещение в
направлении стрелки а. Это перемеще-
ние осуществляется от электродвигате-
ля с редуктором, расположенного в
корпусе привода 6. Привод 6 с подвиж-
ной частью 2 может перемещаться по
направляющей колонке стойки 7 в вер-
тикальном направлении, занимая поло-
жение, определяемое размерами испы-
туемой детали. Весь преобразователь
расположен на амортизирующей под-
кладке 8.
На фиг. 27-2 показано устройство подвиж-
ной части преобразователя пьезоэлектрического
профилометра, разработанного под руковод-
ством П. И. Буловского. Ощупывающая алмаз-
ная игла 1, имеющая радиус закругления
1,5 мкн, укреплена на конце подвижного коро-
мысла 2, могущего вращаться вокруг оси 3,
укрепленной в агатовых подшипниках. Под-
вижное коромысло находится внутри защитной
Фиг. 27-2. Устройство преобразователя пьезоэлектрического
профилометра
стальной трубки 4, свободный конец которой
оканчивается башмаком 5, расположенным не-
посредственно возле иглы, благодаря чему
имеет меСто неизменное давление иглы на по-
верхность при ее перемещении. Это давление
не превышает 0,1 Г/мм2, что обеспечивает
отсутствие царапин при измерении чистоты по-
верхности деталей, изготовленных из мягких
материалов (например алюминия). Подвижное
коромысло на другом своем конце несет «смы-
чок» 6, связывающий при помощи эластичной
ленточки 7 подвижное коромысло со свободным
концом пластинок 8 из сегнетовой соли. Другой
конец этих пластинок укреплен неподвижно и
изолирован от корпуса прокладками. Две пла-
стинки из сегнетовой соли склеены таким обра-
зом, чтобы на обкладках (электродах), распо-
ложенных на наружных гранях этих пластинок,
возникал заряд одного знака.
Таким образом, при перемещении иглы 1
в вертикальном направлении (вследствие ше-
роховатости испытуемой поверхности) свобод-
ный конец пластинок 8 также перемещается, и
пластинки сегнетовой соли изгибаются, благо-
даря чему возникает заряд на поверхностях
(на обкладках) пластин. Обкладки соединены
гибким экранированным проводом 9 с измери-
тельной цепью. Трубка 10 подвижной части
шарнирно соединена с приводом преобразова-
теля. Таким образом, подвижная часть преоб-
разователя свободно опирается на исследуемую
поверхность через башмак 5, имеющий радиус
закругления, равный 15 мм.
Разность потенциалов, возникающая между
обкладками сегнетовой соли и корпусом, уси-
ливается трехступенчатым усилителем с общим
коэффициентом усиления в несколько десятков
тысяч. В описываемом профилометре преду-
смотрено измерение не только , но и
для чего на выходе схемы включено два изме-
рителя: ламповый вольтметр, градуированный
в единицах действующего значения измеряемой
разности потенциалов, и амплитудный лампо-
вый вольтметр.
Входное сопротивление измерительной цепи
равно 10 мгом. Учитывая, что частота измене-
ния усилия, действующего на пьезоэлектрик,
равна примерно 6 гц, можно считать, что утеч-
ка возникающего заряда будет незначительна.
Привод подвижной части позволяет переме-
щать иглу по испытуемой поверхности с двумя
скоростями: 3 и 0,12 мм[сек. Длина перемеще-
ния иглы равна 3 мм.
Градуировка прибора производится в дина-
мическом режиме путем создания гармониче-
ских колебаний иглы с заданной амплитудой и
частотой, что дает возможность избежать утеч-
ки заряда при градуировке.
27-2. Индукционный профилометр
Преобразователь профилометра этого типа
представляет собой стержень 1 (фиг. 27-3), не-
сущий иглу 2 и цилиндрическую катушку 3,
находящуюся в поле сильного магнита 4. При
перемещении по испытуемой поверхности игла ,
колеблется вдоль своей оси, и в катушке, пере-
секающей силовые линии магнитного поля,
индуктируется э. д. с.
индукционного профилометра
Если предположить, для простоты, что про-
филь испытуемой поверхности в направлении
перемещения иглы может быть выражен гармо-
ническим рядом
Н= sin^x,
1
где Н — ордината кривой профиля;
Нк — амплитуда гармоники Л-го порядка;
х — перемещение вдоль поверхности,
то э. д. с. е, индуктированная в катушке при
равномерной скорости и перемещения иглыг
равна:
ОО
dH Пи,. .
е — a -j— = av > Hk cos kx,
dt / J «
1
где a — постоянная.
Таким образом, показания подобного
прибора пропорциональны сумме произведе-
ний амплитуды гармоник на порядковый но-
мер гармоники, умноженной на скорость.
Чтобы получить показания прибора незави-
симыми от скорости v, необходимо произвести
операцию интегрирования кривой (э. д. с., что1 :
возможно осуществить с помощью интегрирую-
щего контура (см. § 20-1), включенного на за-
жимы катушки. 4
Так как напряжение на выходе интегрирую-
щего контура весьма мало, то между этим кон-
туром и измерителем включается ламповый'
усилитель. Измерителем, включенным в анод-
ную цепь последней ступени усиления, являет-
ся выпрямительный прибор, шкала которого1
градуируется в единицах действующего значе-
ния измеряемой э. д. с.
Разрез головки преобразователя профило-
метра типа КВ-4, разработанного В. М. Кисе-
левым [Л. 311, показан на фиг. 27-4. Основные
детали головки преобразователя смонтированы
на основании 1 и закрыты крышкой 2. На осно-
вании 1 укреплены магнит 3 и сердечник 4,
который своей цилиндрической частью входит
в отверстие корпуса и образует концентриче-
ский зазор; в последнем*перемещается катушка
5, несущая на себе обмотку; катушка укреп-
лена на плоских пружинах 6, неподвижно за-
жатых одним концом к коробке 7. Таким обра-
зом, катушка имеет возможность перемещать-
ся в вертикальной плоскости под воздействием
алюминиевой иглы 8 (с алмазным острием),
ввернутой в конец каркаса катушки 5. Магнит
и сердечник с передней стороны поддержива-
ются стойкой, укрепленной на корпусе, и все
это устройство стягивается винтом 9.
При измерении головка преобразователя
ставится на шаровые опоры, укрепленные на
мостике 10, который в свою очередь крепится
к скобе 11, имеющей возможность перемещать-
ся вверх и вниз при помощи микрометриче-
ского винта 12 с лимбом 13, находящихся на
крышке 2. Это перемещение опор необходимо
для регулировки иглы и натяжения пружин 6
при измерении шероховатости цилиндрических
поверхностей различных радиусов. Обмотка
подвижной катушки 5 соединена последова-
тельно с компенсационной катушкой 14, кото-
рая предназначена для компенсации паразит-
ной э. д. с., наводимой в подвижной катушке 5
переменным магнитным полем, образованным
полями рассеяния элементов цепи и питающе-
го устройства.
Скорость перемещения иглы должна быть
выбрана с таким расчетом, чтобы при имею-
щем место шаге шероховатости испытуемой
поверхности частота колебаний иглы была не
меньше 50 гц, иначе интегрирующий контур
работает неудовлетворительно.
Частота колебаний иглы, а следовательно,
и частота изменения э. д. с. катушки должны
быть также значительно выше, чем собствен-
ная частота колебаний подвижной части изме-
рителя, так как стрелка измерителя будет
успевать следовать за колебаниями иглы, что
затруднит отсчет.
Наконец, частота колебаний иглы должна
быть значительно больше собственной частоты
подвижной части головки преобразователя (эта
частота определяется жесткостью пружин 6,
см. фиг. 27-4). В противном случае перемеще-
ния подвижной части преобразователя бу-
дут искажаться собственными колебаниями
(см. § 31-1).
Глава двадцать восьмая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ (ТЕНЗОМЕТРЫ)
Измерение деформаций сводится, по суще-
ству, к измерению изменений линейных разме-
ров определенного участка детали, обусловлен-
ных воздействием на деталь статической или
динамической нагрузки.
Зная деформацию и модуль упругости ма-
териала детали, можно, согласно закону Гука,
определить напряжение на поверхности испы-
туемого участка детали.
Для исследования картины распределения
напряжений в детали крайне важно умень-
шить, по возможности, линейные размеры уча-
стка поверхности детали, необходимого для
крепления преобразователя, иначе говоря,
уменьшить базу преобразователя. Это стремле-
ние ограничено требуемыми для надежной ра-
боты прибора чувствительностью и мощностью
преобразователя.
Электрические тензометры имеют особен-
ное значение при исследовании динамических
нагрузок, поскольку электрические тензометры
значительно легче выполнить малоинерцион-
ными, чем тензометры механические или опти-
ко-механические. Однако и для статических
измерений электрические тензометры находят
широкое применение.
Электрические тензометры могут быть скон-
струированы на любом из принципов преобра-
зования механической величины в электриче-
скую, описанных в первой части книги. Однако
практическое распространение получили прово-
лочные и индуктивные тензометры.
§ 28-1. Проволочные тензометры
Выше, в главе четвертой, были изложены
основные свойства проволочных преобразова-
телей. В настоящем параграфе излагаются не-
Фиг. 28-1. Зависимость чувствительности
проволочного преобразователя (из констан-
тана диаметром 0,03 мм) от его базы
которые дополнительные сведения о проволоч-
ных преобразователях, имеющие существенное
значение для целей эксплуатации.
Значения чувствительности преобразовате-
ля, приведенные в табл. 4-1, характеризуют
материал как таковой. При наклейке преобра-
зователя на испытуемую деталь необходимо
учитывать, что в местах поворота проволоки
образуются участки проволоки, не восприни-
мающие полностью измеряемые деформации
детали; эти участки воспринимают деформа-
ции, перпендикулярные к измеряемым.
Таким образом, чувствительность реально-
го проволочного преобразователя всегда мень-
ше чувствительности материала проволоки.
В связи с этим обстоятельством необходи-
мо отметить некоторую зависимость чувстви-
тельности готового преобразователя от базы
последнего, поскольку при малой базе увели-
чивается доля проволоки, приходящаяся на
участки поворотов. На фиг. 28-1 приведена
кривая чувствительности преобразователя из
константана диаметром 0,03 мм в функции от
базы.
Проволочные преобразователи можно ис-
пользовать для измерения не только упругих,
но и пластических деформаций.
Работу преобразователя в зоне пластиче-
ских деформаций характеризует график, изо-
браженный на фиг. 28-2. По оси абсцисс от-
ложены значения &R и 1R/R, а по оси орди-
нат значения относительных деформаций Д 1/1.
Преобразователь был наклеен на образец, j
который три раза подвергался значительным
нагрузкам при помощи разрывной машины, но
не был доведен до разрыва.
Из графика видно, что изменения A R/R
в зоне пластических деформаций значительно
больше, чем при упругих деформациях. После
пластических деформаций возникают остаточ-
ные деформации, однако чувствительность пре-
образователя к упругиМ деформациям не из- j
меняется, о чем можно судить по одинако- |
вому наклону кривых в области упругих |
деформаций.
Если нагрузку доводить до разрыва образ-
ца, то можно наблюдать, что проволока пре-
образователя разрывается лишь тогда, когда
образец рвется по месту наклейки преобразо-
вателя. Таким образом, проволочные преобра-
зователи можно использовать в широких пре-
делах измеряемых деформаций.
Выше, в § 4-1, было уже упомянуто о зна-
чительной величине температурной погреш-
ности и^о важности компенсации этой погреш-
Фиг. 28-2. Кривые, характеризующие работу проволочного
преобразователя в области пластических
деформаций
ности. Необходимо отметить дополнительно,
что температурный коэффициент сопротивле-
ния наклеенного на деталь преобразователя
отличается от температурного коэффициента
сопротивления материала проволоки. Дело
в том, что температурные коэффициенты ли-
нейного расширения материала испытуемой
детали ($дет) и проволоки ($ ) отличны друг
от друга. Следовательно, при изменении тем-
пературы детали на 1°С проволока наклеен-
него преобразователя будет испытывать от-
носительную деформацию, равную
~ ~ $дет ^пр’
что вызовет относительное изменение сопро-
тивления
, &RIR.
где ----относительная чувствитель-
ность материала преобразователя (см. § 4-3).
Таким образом, полное относительное из-
менение сопротивления преобразователя при
изменении температуры детали с наклеенным
Другим источником температурной погреш-
ности может явиться т. э. д. с., возникающая
при сварке (или спайке) проволоки преобра-
зователя с медными выводами. В частности,
наиболее распространенная проволока для из-
готовления преобразователей — константан
в паре с медью — создает т. э. д. с., равную
13,2 мкв на 1°С. Обычно оба спая проволоки
с медными выводами расположены рядом и
имеют одинаковую температуру; в этом случае
суммарная т. э. д. с. равна нулю. Однако при
использовании большого количества преобра-
зователей их соединяют иногда с измеритель-
ной аппаратурой таким образом, что один про-
вод является для всех преобразователей об-
Фиг. 28-3. Схема измерительной цепи проволочного тензометра
преобразователем равно:
где а — температурный коэффициент сопротив-
ления материала проволоки.
Правую часть последнего уравнения мож-
но рассматривать как суммарный температур-
ный коэффициент сопротивления преобразова-
теля, наклеенного на испытуемую деталь.
Так как значения $дегп различны для раз-
ных материалов, то и значения суммарного
температурного коэффициента зависят от ма-
териала детали. Поэтому радикальная ком-
пенсация температурной погрешности будет
иметь место лишь в том случае, если нерабо-
чий преобразователь, включаемый в соседнее
с рабочим преобразователем плечо моста, бу-
дет наклеен на такой же материал, из которо-
го выполнена испытуемая деталь, и если оба
плеча помещены в совершенно одинаковые
температурные условия.
12 А. М. Туричин.
щим и расположен отдельно от других выво-
дов. В подобных случаях может иметь место
неодинаковая температура в местах спая про-
волоки преобразователя с медными выводами,
что может привести к возникновению паразит-
ной т. э. д. с.
На фиг. 28-3 изображена схема электриче-
ской цепи одного из современных проволочных
тензометров (предложенная в ЛПИ М. М. Фе-
тисовым и П. В. Новицким).
Основными узлами этой цепи являются:
1) генератор (обычно звуковой частоты),
2) измерительная мостовая цепь с преобразо-
вателями Пр и 3) измерительный усилитель
с выходом на магнитоэлектрический милли-
амперметр (а в случае измерения динамиче-
ских процессов на вибратор осциллографа).
Так как измерительный мост работает в не-
равновесном режиме, то основным требова-
нием к генератору, питающему мост, является
требование постоянства амплитуды и частоты
генерируемого напряжения.
С этой точки зрения наиболее целесообраз-
но использование /?С-генератора с амплитудно^-
зависимым делителем в цепи катода первой
лампы. В описываемой измерительной цепи
для этой цели применен барретор 0,42555,5-12.
Эта лампа вполне удовлетворительно стабили-
зирует ток при мощности 2,4 вт (0,4а; бе).
Использование для этой цели обычной лампы
накаливания мощностью 15 вт вряд ли целесо-
образно, так как получить подобную мощность
от выходной лампы генератора затруднительно.
Для обеспечения необходимой мощности
(2,4 вт в барреторе и 2,4 вт в сопротивлении
R, равном примерно 15 ом) последняя ступень
генератора выполнена на лампе 6ПЗ, а ста-
билизирующая цепь включена через согласую-
щий трансформатор Тр\. Для обеспечения до-
статочной стабильности (порядка долей про-
цента) амплитуды генерируемого напряжения,
усилитель напряжения генератора выполнен
на двух триодах лампы 6Н9 с отрицательной
обратной связью, которая осуществлена путем
присоединения анодной нагрузки первой лам-
пы к части анодной нагрузки второй лампы.
Регулировка коэффициента усиления этого
усилителя производится путем подбора вели-
чины отрицательной обратной связи.
Частота генератора определяется частотно-
зависимой цепью С1Т?1С2Т?2. Выходное напря-
жение (порядка 70—80 в) снимается с повы-
шающей обмотки трансформатора Трх. Кон-
структивно генератор (лампы 6Н9 и 6ПЗ) раз-
мещается в корпусе питающего устройства и
является общим для всех измерительных ка-
налов. Питание измерительных мостов каждо-
го из каналов осуществляется от отдельных
катодных повторителей на лампах 6П9, поме-
щенных в блоках измерительных каналов и
с достаточно высокой степенью точности повто-
ряющих напряжение основного генератора.
Особенностью измерительного усилителя
описываемой цепи является компенсационный
принцип измерения напряжения измерительной
диагонали моста путем компенсации этого на-
пряжения падением напряжения, создаваемым
непосредственно выходным током, поступаю-
щим в вибратор осциллографа.
Таким образом, большая часть напряжения
измерительной диагонали моста оказывается
скомпенсированной падением напряжения на
компенсирующем сопротивлении RK > и лишь
небольшая часть этого напряжения (примерно
*/7—i/э) поступает на первичную обмотку вход-
ного согласующего трансформатора.
Усилитель напряжения каждого из каналов
выполнен на двух триодах лампы 6Н9 и охва-
чен частотно-зависимой обратной связью (кон- j
денсатор С3) и частотно-независимой обрат- 5
ной связью (сопротивление R3). Выходная сту-
пень усилителя выполнена на телевизионном i
пентоде 6Ж4, который вполне обеспечивает J
необходимое значение выходной мощности ;
(порядка 0,2—0,3 вт) и в то же время благо- ;
даря малому потреблению тока и весьма боль-
шой добротности (порядка 80 000 мвт/в2) позво-
ляет получить весьма экономичный усилитель.
Выпрямление выходного тока осущест- ?
вляется фазочувствительным выпрямителем, j
собранным из меднозакисных пластин по коль- I
цевой схеме. Управляющее напряжение несу- г
щей частоты порядка 2 в снимается со спе- I
циальной обмотки на трансформаторе Тр2 ка-
тодного повторителя. j
Основная обратная связь, охватывающая ?
весь усилительный тракт, включая и фазочув- j
ствительный выпрямитель, осуществлена путем-
подачи на компенсирующее сопротивление RK {
падений напряжений на сопротивлениях R7 и
Rs (по 0,1 ом) от выпрямленного тока, посту- ;
пающего в вибратор.
В один полупериод, когда работает верхняя i
полуобмотка выходного трансформатора (верх-
ние выпрямители открыты, а нижние — запер- >
ты), падение напряжения, воспроизводящее i
полуволну выпрямленного тока, образуется на j
сопротивлении R7. В следующий же полупе- '
риод (верхние выпрямители заперты, а ниж- ;
ние — открыты) аналогичное падение напря- ;
жения образуется на сопротивлении Rs. Таким ;
образом, суммарное падение напряжения об-
ратной связи, подаваемое на компенсирующее i
сопротивление RK , оказывается синусоидаль- j
ным и в то же время непосредственно связан- J
ным с выпрямленным током, протекающим че- ?
рез выходной измеритель.
Все сопротивления цепи обратной связи ?
(R?, Rs и RK ) могут быть выполнены весьма '
стабильными (манганин), что обеспечивает *
высокую стабильность всего усилителя. I
Для увеличения устойчивости усилителя ;
против самовозбуждения, входной и выходной '
трансформаторы настраиваются в резонанс на t
несущую частоту, что обеспечивает спад ам- •
плитудной характеристики канала больше ?
12—15 дб на октаву. i
Питание анодных цепей усилителя произ- >
водится через ламповый стабилизатор напря- }
жения, а цепей накала — через барретор, на- 5
ходящиеся в блоке питающего устройства. j
Предварительное уравновешивание измери- i
тельного моста производится по индикатору ?
6Е5: грубо — с помощью секционированных ?
манганиновых сопротивлений & и и плав-
но — сопротивлением Д4 и дифференциальным
конденсатором С4.
§ 28-2. Индуктивные тензометры
На фиг. 28-4 показано устройство преоб-
разователя индуктивного тензометра, разрабо-
танного А. П. Молчановым, с базой в 2 мм.
Фиг. 28-4. Преобразователь
индуктивного тензометра
Преобразователь состоит из двух рычагов 1
и 2, связанных между собой плоской пружи-
ной 3. Нижние концы 4 и 5 рычагов выполне-
ны в виде ножей, которыми они касаются
(слегка врезываются) поверхности испытуемой
детали. Крепление преобразователя к детали
производится упругим стальным прутом (тро-
сом), продеваемым через отверстие 6.
Рычаг 1 несет на своем верхнем конце
обойму с двумя катушками 7. На рычаге 2
укреплен якорь 8 из мягкой стали, верхний
конец которого расположен между двумя сер-
дечниками 9 обеих катушек. Магнитная цепь
катушек показана на фиг. 28-4,6. Сердечники
12*
9 и катушки 7 вставлены в стаканы 10. По-
следние упираются в торцевой диск сердечни-
ка. Сердечники и стаканы также выполнены из
мягкой стали. При взаимном перемещении но-
жей 4 и 5 (фиг. 28-4,а) якорь 8 перемещается
между сердечниками катушек, удаляясь от
одного из них и приближаясь к другому. Та-
ким образом, описываемый преобразователь
тензометра является дифференциальным ин-
дуктивным преобразователем.
Для установки якоря в нейтральное поло-
жение, соответствующее равенству индуктивно-
стей катушек и равновесию моста, двумя пле-
чами которого являются катушки, служит ме-
ханизм, состоящий из винта 11 с конусным
наконечником; винт при заворачивании вытал-
кивает шарик 12, нажимающий на якорь 8 и,
следовательно, перемещающий его.
§ 28-3. Струнные (электроакустические)
тензометры
Преобразователи этих тензометров имеют
стальную струну, натяжение которой изменяет-
ся под влиянием деформации испытуемой де-
тали; тем самым изменяется и частота соб-
ственных колебаний струны. Колебания стру-
ны преобразуются в электрические колебания,
частота которых тем или иным способом изме-
ряется.
Теория и практика этого метода измерения
напряжений в металлах разработана Н. Н. Да-
виденковым [Л. 27].
Частота f0 собственных колебаний натя-
нутой струны, закрепленной по концам, выра-
жается формулой:
2?!^ Т’
где о — напряжение в материале струны;
I — длина струны;
р—плотность материала струны.
При малых изменениях частоты Д/о изме-
нение напряжения До определяется формулой:
Да — 8/2р/0Д/п.
Если модули упругости струны и элемента
сооружения, на который она натянута, раз-
личны (E!^E2)> то вычисленное значение До
нужно умножить на EilE2.
Особенное значение при пользовании этим
методом имеет учет влияния температуры на
работу прибора. Если температурные коэффи-
циенты удлинения объекта измерения и стру-
ны одинаковы, то натяжение струны не будет
зависеть от температуры. В противном случае
температурная погрешность может достигать
весьма больших значений. По этой причине
этот метод особенно удобен для измерения де-
формаций стальных конструкций.
На фиг. 28-5 изображена одна из конструк-
ций преобразователя струнного тензометра.
В корпусе 1 установлены две призмы, закан-
Фиг. 28-5. Устройство преобразователя струнного
тензометра
чивающиеся остриями: неподвижная 2 и под-
вижная 3, которая может перемещаться в про-
дольном направлении на салазках. Один конец
струны 11 прикреплен к салазкам подвижной
призмы. Другой конец проходит через отвер-
стие в неподвижной призме и связан с натяж-
ным винтом 4. Салазки подвижной призмы
Фиг. 28-6. Принципиальная схема струнного тензометра
соединены с натяжным винтом 5 на противо-
положном конце преобразователя тензометра
посредством пружины 6. Таким образом, на-
чальное натяжение струны регулируется с обе-
их сторон преобразователя независимо от по-
ложения призм; после регулировки рукоятки
7 и 8 закрываются колпачками.
Острые концы призм выступают через про-
рези в крышке преобразователя; последний
устанавливается на испытуемой детали так,
чтобы острия слегка врезались в поверхность
детали.
Струна в преобразователе расположена
между двумя парами полюсных наконечников
двух небольших поляризованных электромаг-
нитов 9 и 10, прикрепленных к корпусу при-
бора. Назначением этих электромагнитов яв-
ляется возбуждение колебаний струны.
Измерение частоты колебаний струны про-
изводится, как правило, путем сравнения этой
частоты с частотой образцового генератора
звуковой частоты.
Принципиальная схема подобного прибора
изображена на фиг. 28-6. При включении клю-
чом Л) катушки электромагнита рабочей стру-
ны на источник постоянного тока Б струна
притягивается к электромагниту. После вы-
ключения тока (отпуская ключ К\) струна на-
чинает колебаться (с затуханием); одновре-
менно катушка рабочей струны включается на
усилитель с телефоном.
Такая же операция вслед за этим произво-
дится при помощи ключа А2 с образцовой
струной, частоту собственных колебаний кото-
рой можно регулировать с помощью микро-
метрического винта и рычажной передачи.
В телефоне слышны при этом интерференцион-
ные биения. Настраивая образцовую струну и
включая поочередно ключи Л) и А2, можно
добиться совпадения на слух тонов звучания
обеих струн. Головка микрометрического вин-
та снабжена делениями, градуированными
в единицах собственной частоты образцовой
струны. При развитом слухе наблюдатель мо-
жет уловить различие в тонах звучания, отве-
чающее разности частот в 0,5 гц.
В качестве примера современной измери-
тельной цепи струнного тензометра, позволяю-
щей автоматизировать процесс возбуждения
струны и переключения ее в измерительную
цепь, ниже описывается структурная схема
(фиг. 28-7) тензометра, разработанного
Г. Н. Славским (ВНИИГ).
Генератор ГИ импульсов постоянного тока
(продолжительность импульса порядка 1 —
2 мксек, скважность — порядка 100) периоди-
чески возбуждает электромагнит ЭМ струнно-
го тензометра. Э. д. с., индуктированная в об-
мотке электромагнита, имеющая частоту коле-
бания струны, подается на вход двухступенча-
того усилителя УС; после усиления эта э. д. с.
ограничивается ограничителем ОГ до постоян-
ной амплитуды.
Работа генератора импульсов синхронизи-
рована с колебаниями струны при помощи це-
пи синхронизации импульсов СИ, связываю-
щей выход ограничителя ОГ с генератором
импульсов ГИ.
Измерение частоты струны производится
путем сравнения с частотой образцового гене-
ратора Ген в смесителе См, на выходе кото-
рого включен в качестве указателя равенства
частот выпрямительный измеритель Г. Его
стрелка колеблется с частотой биений и оста-
навливается при равенстве частот струны и
генератора Ген. Шкала последнего градуиро-
вана в герцах.
Для более точного определения частоты ге-
нератор Ген имеет 10 диапазонов измерения,
перекрывающих частоты от 780 до 2050 гц.
Для того чтобы облегчить определение необ-
ходимого диапазона, в измерительной цепи
прибора предусмотрена возможность переклю-
чения измерителя на конденсаторный частото-
мер КЧ, шкала которого градуирована в номе-
рах диапазонов генератора Ген.
Для исключения попадания на вход усили-
теля УС импульсов постоянного тока, возбуж-
дающего струну преобразователя, в измери-
тельной цепи прибора предусмотрена цепочка
(узел) ЗУ, запирающая усилитель на время
подачи в обмотку электромагнита ЭМ возбуж-
дающего импульса.
Питание прибора осуществляется от сети
переменного тока через выпрямитель В и лам-
повый стабилизатор напряжения СТ.
Измерительная цепь прибора имеет девять
ламп и смонтирована в корпусе, имеющем га-
бариты 180 X 200 X250 мм и вес 8 кг.
Описанная измерительная цепь предназна-
чена для работы с преобразователем, имею-
щим один электромагнит.
При использовании преобразователей
с двумя электромагнитами, один из них при-
меняется для возбуждения колебаний и вклю-
Фиг. 28-7. Структурная схема измерительной цепи
струнного тензометра
чается в анодную цепь лампы генератора,
а другой электромагнит, включенный в сеточ-
ную цепь лампы, воспринимает эти колебания
и возбуждает генератор. Частота подобного ге-
нератора определяется только собственной ре-
зонансной частотой струны.
Измерение частоты этого генератора можно
производить различными методами, например
путем сравнения ее с частотой образцового
генератора переменной частоты (как это опи-
сано в рассмотренном выше примере).
Глава двадцать девятая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ
СИЛ И ДАВЛЕНИЙ (ДИНАМОМЕТРЫ И МАНОМЕТРЫ)
К этой группе электрических приборов
(электрических динамометров и манометров)
относятся многочисленные типы приборов для
измерения сил, действующих при механической
обработке деталей (сил резания, давлений при
штамповке, прокатке), давлений газов и жид-
костей (например, индикаторы давления в дви-
гателях внутреннего сгорания) и т. п.
Основным требованием, предъявляемым
к преобразователям этих приборов, является
возможно меньшее перемещение или дефор-
мация рабочего органа преобразователя. Это-
му требованию в большей или меньшей степе-
ни удовлетворяют все преобразователи, слу-
жащие для преобразования механической ве-
личины в электрическую. В практике измере-
ния сил и давлений можно встретить пьезо-
электрические, магнитоупругие, индуктивные,
емкостные преобразователи. Особенно малы
перемещения, возникающие под влиянием
измеряемой силы, у пьезоэлектрических и маг-
нитоупругих преобразователей.
§ 29-1. Пьезоэлектрические динамометры
и манометры
В качестве примера на фиг. 29-1 показано
устройство преобразователя пьезоэлектриче-
ского манометра для снятия индикаторных
диаграмм давления в цилиндре двигателей
внутреннего сгорания.
верхних пластин,
разрушения под
Фиг. 29-1. Преобразова-
тель |’пьезоэлектрическо-
' го'маиометра
Измеряемое давление передается через
мембрану 1 и опорные пластины (пяты) 2 и 3
кварцевым пластинам 4. Нижняя кварцевая
пластина помещена с целью защиты двух
^ющихся рабочими, от
действием измеряемых
давлений. Фольга для
вывода отрицательного
потенциала, зажатая
между двумя рабочими
кварцевыми пластина-
ми, присоединена к
разрезному кольцу 5,
которое соединено с на-
ружным выводом 6 про-
водом, проходящим че-
рез стеклянную трубку
7 и втулку 8 из плекси-
гласа. Обойма 9, в ко-
торой закреплены квар-
цевые пластины с де-
талями вывода и пята 3,
ввинчивается в корпус
преобразователя 10,
который снабжен на-
ружной резьбой для
ввинчивания его в кор-
пус двигателя вместо
свечи.
Для того чтобы из-
бежать нагрева преоб-
разователя при длительной нагрузке, преду-
смотрено водяное охлаждение корпуса преоб-
разователя через патрубки 11.
Пьезокварцевые манометры обладают ря-
дом достоинств: высокой собственной частотой
колебаний, независимостью пьезоэлектриче-
ской постоянной от температуры вплоть до
500° С. Следует отметить, однако, что при тем-
пературах порядка нескольких сот градусов
ухудшаются свойства изоляции вывода. Поэто-
му преобразователи, работающие при высоких
температурах, часто имеют, как об этом было
упомянуто, водяное охлаждение.
К недостаткам приборов с пьезокварцевы-
ми преобразователями относится необходи-
мость высокой изоляции токоведущих частей
относительно земли.
Электрические цепи пьезоэлектрических ма-
нометров являются типичными цепями для
измерения напряжений при большом входном
сопротивлении измерителя (см. § 19-3).
Пьезоэлектрический преобразователь опи-
санного манометра работает в динамическом
режиме. Градуировку подобного манометра
необходимо производить также в динамиче-
ском режиме, так как статическую градуиров-
ку преобразователя, установленного на объек-
те измерения, производить практически невоз-
можно из-за трудности обеспечения необходи-
мой изоляции токоведущей части преобразо-
вателя.
§ 29-2. Магнитоупругие динамометры
и манометры
На фиг. 29-2 показан преобразователь маг-
нитоупругого динамометра, разработанного
Ф. В. Майоровым [Л. 46]. Сердечник 1 собран
Фиг. 29-2. Преобразо-
ватель магнитоупру-
гого манометра
Ф. В. Майорова
из тонких изолированных
друг от друга листов пер-
маллоя специального со-
става (см. §8-1). Верхняя
и нижняя торцевые по-
верхности сердечника
шлифуются, чем дости-
гается равномерное рас-
пределение давления по
сечению сердечника. Весь
пакет сердечника сжи-
мается обоймой 2 при по-
мощи шести винтов 3. Об-
мотка 4 из 220 витков
провода диаметром 0,18
мм продевается сквозь две
продолговатые щели в те-
ле обоймы и сердечника.
Сердечник с катушкой и
обоймой вставляется в
стальной корпус 5 цилин-
дрической формы, служа-
щий магнитным экраном.
Сила F передается на
верхнюю торцевую поверхность сердечника
через шаровой сегмент 6. Крышка 7 корпуса
навинчивается на корпус, соединяя шаровой
сегмент с сердечником. Шаровой сегмент i
выступает снаружи корпуса через отверстие
в крышке 7. Дно 8 корпуса представляет собой
плоскопараллельную пластину, которая кре-
пится к корпусу тремя винтами.
Предел измерения описываемого динамо-
метра равен 1000 кГ. Преобразователь имеет
достаточно высокую частоту собственных ко-
лебаний (свыше 20 000 гц) и может приме-
няться для измерения переменных сил часто-
той до 1000 гц.
Согласно данным автора описываемого ди-
намометра, погрешности прибора оцениваются
следующими цифрами.
Изменение температуры вызывает измене-
ние индукции, достигающее —2% на -|-10°С.
Для компенсации погрешности от темпера-
туры можно в соседнее с преобразователем
плечо моста ввести соответствующее сопротив-
ление из меди.
Влияние остаточных деформаций и механи-
ческого гистерезиса достигает +2% и выше.
Тренировками преобразователя (см. § 8-4)
фильтр Фь настроенный на частоту 10 000 гц.
Генератор работает на двух лампах 6К7. Пи-
тание прибора осуществляется от аккумуля-
торных батарей.
Погрешность, обусловленная непостоян-
ством напряжения, достигает 15% на 10% из-
менения напряжения.
Фиг. 29-3. Схема измерительной цепи магнитоупругого манометра Ф. В. Майорова
удается снизить эту погрешность до
+ 1,5—1%'.
При измерении динамических сил и записи
измеряемых сил магнитоэлектрическим осцил-
лографом описываемый преобразователь вклю-
чается в цепь, изображенную на фиг. 29-3.
Преобразователь Пр включается в цепь
моста, составленную из сопротивлений и емко-
стей.
Равновесие моста регулируется сопротивле-
ниями Т?2 и /?з. Конденсатор С\ также служит
для уравновешивания цепи. Часть сопротивле-
ния 7?з при помощи выключателя может быть
закорочена, благодаря чему создается опреде-
ленное неравновесие моста, соответствующее
определенному показанию измерителя (мил-
лиамперметра) в анодной цепи лампового уси-
лителя, включенного на измерительную диаго-
наль моста. Если показание миллиамперметра
не соответствует значению, имевшему место
при градуировке прибора, то необходимо отре-
гулировать степень усиления при помощи со-
противлений и +• Сопротивление плеча
R\ и конденсатор С2 постоянные. Усилитель
работает на лампе 6Ф6; переменная состав-
ляющая анодного тока выпрямляется медно-
закисными выпрямителями и сглаживается
фильтром Фг, пропускающим без искажения
частоты модуляции от 0 до 1000 гц.
Мостовая цепь питается от лампового ге-
нератора частотой 10 000 гц через полосовой
§ 29-3. Емкостные динамометры
и манометры
Конструкции емкостных динамометров и
манометров чрезвычайно разнообразны.
На фиг. 29-4 показано устройство емкост-
ного преобразователя манометра, в котором
предусмотрена возможность регулирования
размеров а0 и g0 (см. § 10-2) с целью ком-
пенсации температурной погрешности.
В стальной корпус 1, дно 2 которого слу-
жит подвижной пластиной (мембраной), ввин-
чивается стальная пробка 3, к которой на
винтах крепится изоляционная прокладка 4.
Неподвижная пластина 5 из инвара жестко
скреплена со стержнем из того же материала.
Шайба 6 из инвара винтами прикрепляется
к изоляционной прокладке 4 и имеет в центре
отверстие с резьбой, в которое ввинчивается
стержень с неподвижной пластиной 5. Таким
образом, размер go можно регулировать, со-
храняя неизменным зазор между пластинами
(обкладками) преобразователя. Контргайка
7 из инвара закрепляет положение неподвиж-
ной пластины. Зажим 8 изолирован от корпу-
са, а зажим 9 непосредственно соединен с кор-
пусом. Ниппель 10 служит для соединения
преобразователя с объектом измерения.
Начальная емкость преобразователя равна
примерно 600 пкф; рабочее изменение емкости
около 1000 пкф. Собственная частота преобра-
зователя (мембраны) достигает 14 000 гц.
На фиг. 29-5 показано устройство преобра-
зователя динамометра для измерения давле-
ния металла на валки прокатного стана и для
измерения натяжения прокатываемой ленты.
Фиг. 29-4. Емкостный преобразова-
тель динамометра с температурной
компенсацией изменения размеров
отдельных частей преобразователя
К корпусу 1 крепится винтами 2 мембрана 3.
Внутри преобразователя между эбонитовыми
пластинами 4 и 5 помещены обкладки 6 и 7
конденсатора.
Фиг. 29-5. Емкостный преобразователь прибора
для измерения давления металла на валок
прокатного стана
Давление Р, создаваемое нажимными вин-
тами прокатного стана, передается на мембра-
ну через верхнюю 8 и нижнюю 9 пяты.
Деформация мембраны, вызывая изменение
зазора между обкладками конденсатора, изме-
няет емкость последнего.
Преобразователь включен в мостовую цепь
с ламповым усилителем в измерительной диа-
гонали.
Описываемый прибор разработан М. И. Рей-
фисовым и А. Е. Гуревичем (ЦНИИТМАШ).
Предел измерения этих приборов 0,75, 10 и
35 т. Диаметр преобразователя на 35 т равен
120 мм, высота — 80 мм.
§ 29-4. Индуктивные динамометры
и манометры
Эти приборы применяются для измерения
сил и давлений в широком диапазоне измеряе-
мых значений.
На фиг. 29-6 показано устройство малога-
баритного индуктивного дифференциального
преобразователя прибора, разработанного
Фиг. 29-6. Малогабаритный индуктивный
дифференциальный преобразователь •
манометра >
А. М. Туричиным, П. В. Новицким иМ. М. Фе- ?
тисовым для измерения малых давлений воз- ;
духа (от 1,5 мм возд. ст.), изменяющихся I
с частотой до 800 гц. J
Измеряемое давление воздействует через \
трубку 1 на тонкую (0,03 мм) гофрированную j
мембрану 2, выполненную из молибденового j.
пермаллоя. Эта мембрана припаяна к корпусу {
3 преобразователя. I
Магнитный поток, создаваемый каждой из i
катушек 4, замыкается через сердечник 5, ста- S
каны 6 и мембрану 2. >
Под воздействием измеряемого давления, j
действующего на мембрану с одной стороны, !
последняя прогибается, благодаря чему маг- (
нитное сопротивление для потока одной ка- 5
тушки уменьшается, а для потока другой ка-
тушки увеличивается.
Начальный воздушный зазор между систе-
мой сердечник — стакан и мембраной равен
30—50 мкн. Этот зазор регулируется переме-
щением стаканов (с сердечниками), снабжен-
ных микрометрической резьбой и закрепляе-
мых гайкой 7.
При измерении пульсирующих газовых по-
токов часто представляет интерес измерять
только переменную часть давления газа, обыч-
но значительно меньшую, чем постоянная со-
тушки преобразователя включены в соседние
плечи моста, устраняются погрешности, обу-
словленные влиянием изменения окружающей
температуры как на линейные размеры преоб-
разователя, так и на величину его активного
сопротивления. Цепь моста питается от лам-
пового генератора частотой 8000 гц.
Вследствие искажения формы кривой тока
в цепи со сталью (при синусоидальном на-
пряжении), иначе говоря, появления высших
гармоник в цепи тока, уравновесить мост пол-
ностью не представляется возможным. По-
Фиг. 29-7. Измерительная цепь индуктивного манометра с преобразователем, изображен-
ным на фиг. 29-6
ставляющая измеряемого давления. В описы-
ваемом преобразователе возможность измере-
ния только переменной составляющей давле-
ния газа обеспечена соединением полостей
с обеих сторон мембраны через тонкие трубки
8, продолжением которых являются спираль-
ные трубки диаметром 0,2—0,3 мм, и резер-
вуар достаточного объема. Подобная система
сообщения полостей с обеих сторон мембраны
обладает столь большой инерцией, что пуль-
сации давления через нее не передаются, и
постоянная составляющая измеряемого давле-
ния практически уравновешивается равным
давлением с другой стороны мембраны; по-
следняя же прогибается только под воздей-
ствием переменной составляющей измеряемого
давления.
Внешний диаметр преобразователя равен
10 мм, длина 6 мм, собственная частота мем-
браны при толщине ее 0,03 мм около 8000 гц.
Преобразователь Z включается в плечи мо-
ста (фиг. 29-7). Благодаря тому, что обе ка-
этому и при нулевом значении измеряемой
величины мост выводится из равновесия при
помощи размыкания сопротивления R6 с тем,
чтобы напряжения UaQa UbQ между землей и
точками а и b были значительно больше, чем
напряжение, обусловленное высшими гармо-
никами на измерительной диагонали при равно-
весии моста. Напряжения 67а0 и 67м равны
примерно 70 мв, тогда как напряжение на
измерительной диагонали моста при равнове-
сии (обусловленное высшими гармониками)
равно примерно 10—15 мв. В усилительной
цепи оба напряжения ([7а0 и Ub0)усиливаются,
выпрямляются и затем вычитаются друг из
друга. Делителем R7 (1,0 мгом) регулируется
равенство нулю разности этих выпрямленных
напряжений. Таким образом, применение сим-
метричных цепей усилителя и выпрямителя
позволяет исключить влияние высших гармо-
ник.
Двухступенчатый усилитель, выполненный
по схеме с настроенным контуром в цепи ано-
да, имеет два канала усиления.
Первые ступени усиления обоих каналов
работают на лампе 6Н9 и являются усилителя-
ми напряжения; вторые ступени работают на
лампе 6П9 и являются усилителями мощно-
сти.
На сетки лампы 6Н9 обоих каналов усиле-
ния подаются напряжения между землей
(средней точкой сопротивления /?1) и крайни-
ми точками а и b сопротивления (через де-
можно добиться точного равенства выходных j
напряжений обоих каналов усиления, о чем j
будет свидетельствовать равенство нулю тока ;
в измерителе.
Так как напряжения между средней точкой ?
сопротивления и точками а и b примерно *
равны 70 мв, то выпрямители и при нулевом }
значении измеряемой величины работают на i
прямолинейном участке своих характери- I
СТИК. I
На фиг. 29-8 изображен дифференциаль- f
ный преобразователь индуктивного динамомет- |
Фиг. 29-8. Индуктивный дифференциальный преобразователь манометра
для измерения реакции подшипника на вал
лители напряжения). Усиленное напряжение
с двух половин вторичных обмоток трансфор-
маторов Tpi и Тр2 подается на меднозакисные
выпрямители, работающие по двухтактной
схеме. Разность выпрямленных напряжений,
получаемых на нагрузочных сопротивлениях
Л*8 и (по 10 ом), включается через сглажи-
вающий фильтр на вибратор осцилло-
графа.
Уравновешивание моста при измеряемом
давлении, равном нулю, осуществляется дву-
мя этапами. Сначала уравновешивание произ-
водится при замкнутом накоротко сопротивле-
нии 7?6 и отключенном нижнем канале усиле-
ния. Это уравновешивание осуществляется
регулировкой сопротивлений /?1 и /?5 моста.
После этого включается сопротивление /?6 и
второй канал усиления (ключом К). Тогда
потенциалы точек а и Ь окажутся примерно
одинаковыми, и напряжения, усиленные обеими
ступенями, на выходе обоих каналов усиления
будут лишь незначительно отличаться друг от
друга. Регулируя усиление верхнего канала,
ра,‘ разработанного А. М. Туричиным и 5
П. В. Новицким (ЛПИ), для измерения реак- ‘
ции подшипника (осевого давления) на вал. (
Испытуемый вал механически соединяется ;
с преобразователем при помощи фланца 1 и f
валика 2, вращающегося в подшипнике 3, (
укрепленном на станине 4. Валик 2 связан ;
скользящим соединением с валом 5, проходя- !
щим внутри латунной втулки 6. Подшипник 7, {
свободно сидящий на конце валика 2, при пе- '
ремещении последнего вправо (под воздей- j
ствием изменяемого осевого усилия) толкает (
втулку 6 с насаженным на нее якорем 8, вы- I
полненным в виде диска. Якорь 8 из мягкой J
стали расположен между двумя катушками 9, (
помещенными в полостях, образованных внут- (
ренним и наружным стаканами 10 и 11, выпол- t
ненными также из мягкой стали. Таким обра- j
зом, магнитный поток, образованный м. д. с.
каждой катушки, проходит через внутреннюю J
цилиндрическую стенку стакана (10 или 11), ;
якорь 8, наружную цилиндрическую стенку и
дно стакана.
Перемещению втулки 6 с якорем 8 проти-
водействуют пружины 12 и 13, жесткость кото-
рых определяется номинальным значением
•осевого усилия.
При перемещении якоря изменяются зазо-
ры между последним и торцевыми поверхно-
стями обоих стаканов, зазор между якорем и
стаканом 11 увеличивается, а зазор между
якорем и стаканом 10 уменьшается, благода-
ря чему индуктивности обеих катушек изменя-
ются с разными знаками. Начальное положе-
ние якоря регулируется деталью 14.
Для того чтобы перемещение втулки 6
«с якорем происходило без трения, втулка за-
креплена при помощи планок 15 на подвесках
Фиг. 29-9. Схема измерительной цепи
индуктивного динамометра
J6-, последние крепятся снизу к станине 4 при
ятомощи двух подшипников (каждая подве-
ска), а сверху к планке 15 также при помощи
.двух подшипников.
Мощность преобразователя достигает 4—
-6 ва. Таким образом, с точки зрения мощности
и чувствительности, выбор измерителя практи-
чески не ограничен, и в измерительную диа-
гональ мостовой цепи может быть включен
.любой измеритель переменного тока.
Для записи измеряемого усилия магнито-
электрическим самописцем преобразователь
включается в мостовую цепь с управляемым
выпрямителем, схема которой приведена на
•фиг. 29-9. В этой цепи в качестве управляюще-
го напряжения используется непосредственно
напряжение сети.
Величина тока, управляющего выпрямите-
лями, определяется емкостью конденсаторов
-С (0,2—0,5 мкф). Для совмещения направле-
ния наибольшей чувствительности выпрями-
теля с фазой выходного тока моста введено
сопротивление Д (1—5 ком), подбираемое
опытным путем по максимуму отклонения из-
мерителя Г.
Наличие согласующего симметричного
трансформатора Тр позволяет получить в из-
мерителе максимальную мощность.
На фиг. 29-10 изображен дифференциаль-
ный преобразователь индуктивного динамо-
метра, разработанный Л. М. Рониным
(ЦНИИТМАШ) для измерения усилий, дости-
гающих 200 т. Между сердечниками 1 и 2 из
мягкой стали помещен якорь 3, ножка 4 кото-
рого упирается в дно корпуса 5, работающего,
на осадку. Под действием приложенной на-
грузки F корпус деформируется, и якорь 3 пре-
образователя перемещается вместе с дном,
в которое он упирается, на величину этой де-
формации. После снятия нагрузки якорь воз-
вращается пружиной 6 в первоначальное по-
ложение.
Преобразователь включается в мостовую
цепь переменного тока, питаемую от сети про-
мышленной частоты через стабилизатор на-
фиг. 29-10. Индуктивный дифференциальный преобразо-
ватель динамометра на предел измерения 2 m
пряжения. В измерительную диагональ вклю-
чен ферродинамический измеритель.
Прибор позволяет измерять динамические
процессы, протекающие с частотой 5—7 гц
(измерителем в этом случае служит вибратор
осциллографа). Прибор выпускается на пре-
делы измерения 10, 50, 100 и 200 т. При номи-
нальном пределе измерения перемещение
якоря составляет 20—60 мкн. Размеры преоб-
разователя: диаметр 64 мм, высота 90 мм.
Глава тридцатая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
(ВАКУУММЕТРЫ)
В этой главе рассматривается группа при-
боров, позволяющих измерить вакуум в пре-
делах от 10 до 10"7 мм рт. ст.
Приборы с термосопротивлением в качестве
преобразователя позволяют измерить вакуум
от 10 до 10-3 мм рт. ст.
Приборы с магнито-электроразрядным пре-
образователем позволяют измерить вакуум от
10~4 до 10 “6 мм рт. ст.
Приборы с ионизационным преобразовате-
лем позволяют измерить вакуум от 10~3 до
10~7 мм рт. ст.
Описываемые ниже вакуумметры разрабо-
таны И. В. Мейзеровым, И. Л. Винник и
К- П. Кофтуном.
§ 30-1. Вакуумметры с термосопротивлением
(типов ВТ-2 и ВС-1)
Наиболее распространенными вакууммет-
рами этого типа являются вакуумметры ВТ-2
с термосопротивлением, температура которого
измеряется термопарой (см. § 5-5).
Фиг. 30-1. Принципиальная схема
вакуумметра типа ВТ-2
Принцип действия этих вакуумметров ил-
люстрирует фиг. 30-1. Термосопротивлением
является нить 1, нагреваемая переменным то-
ком. Амперметр и реостат в цепи термосопро-
тивления служат для установки и поддержа-
ния постоянным нагревающего тока (указан-
ного в паспорте прибора) в том значении, ко-
торое имело место при градуировке прибора.
Рабочий конец термопары приварен в середи-
не термосопротивления. Т. э. д. с. измеряется
милливольтметром Г.
Преобразователь вакуумметра ВТ-2 выпол-
няется двух типов.
Преобразователь типа ЛТ-2 оформлен
в виде стеклянного баллона (лампы)
(фиг. 30-1), заканчивающегося с одной сторо-
ны нормальным цоколем радиолампы, а с дру-
гой стороны трубкой, припаиваемой к испы- *
туемой вакуумной системе. Баллон выполнен: j
из молибденового стекла типа ЗС-5; это обсто- i
ятельство должно быть учтено при присоеди- i
нении баллона к вакуумной системе. * j
Термосопротивление выполнено из плати- {
новой проволоки диаметром 100 мкн при пре- i
деле измерения от 1 до IO"1 мм рт. ст. и диа- <
метром 50 мкн при пределе измерения от КГ1 j
до Ю~3 мм рт. ст. Ток в термосопротивлении (
равен от 200 до 280 ма. ;
Термопара (хромель — копель) выполнена •
из проволок диаметром 50 мкн и имеет сопро- {
тивление порядка 7 ом. Максимальная т. э. д. с. I
(при 10~3 мм рт. ст.) равна примерно 10 мв. j
Преобразователь типа ЛТ-4М выполняет- {
ся в металлической тонкостенной колбе наруж- ;
ным диаметром 25,4 мм и высотой 41,3 мм. \
Для соединения преобразователя (лампы) ;
с вакуумной системой в дно колбы впаивается <
(медью) штуцер из низкоуглеродистой стали,. ;
внешний диаметр которого равен 14 мм.
Термосопротивление выполнено из никеле- J
вой проволоки диаметром 100 мкн. Ток нагре- (
ва равен 100—140 ма. Термопара такая же,. ?
как в преобразователе ЛТ-2.
Вакуумметр ВТ-2 выполняется на два пре- J
дела измерения: 1—2 • 10-1 мм рт. ст. и Ю-1— ?
ПТ3 мм рт. ст.
На шкале прибора в единицах давления ;
наносятся только деления от 10-1 до 10-3 juju i
рт. ст. для преобразователя ЛТ-4М. При ис- J
пользовании этого преобразователя в диапазо- j
не 1—IO1-1 мм рт. ст. и при использовании пре- i
образователя ЛТ-2 необходимо пользоваться j
градуировочными кривыми, прилагаемыми
к прибору, для чего на шкале прибора нане-
сены равномерные деления от 0 до 100 деле-
ний.
В приборе предусмотрена возможность ис-
пользования милливольтметра для контроля
тока в термосопротивлении.
На фиг. 30-2 приведена градуировочная
кривая для преобразователя типа ЛТ-4М.
Вакуумметр ВТ-2 позволяет производить
измерения с погрешностью, достигающей
+20% от измеряемого вакуума.
Ь-.* * Непосредственно присоединить баллон к вакуум-
ной системе можно только в том случае, если пос-
ледняя также выполнена из молибденового стекла.
В вакуумметре с термосопротивлением ти-
па ВС-1 используется преобразователь типа
ТМС-5, представляющий собой термосопротив-
.ление, температура которого (а следовательно,
и вакуум) измеряется непосредственно по зна-
чению сопротивления.
Фиг. 30-2. Градуировочная кривая преобразователя
ЛТ-4М
Преобразователь ТМС-5 представляет со-
вой вольфрамовую нить диаметром 20 мкн,
помещенную в такой же металлической колбе,
какая применена в описанном выше преобра-
зователе ЛТ-4М.
Вакуумметр этого типа выпускается не
только для измерения вакуума, но и для це-
лей регулирования процесса откачки. В этом
случае он имеет дополнительный ламповый
узел и маркируется как ВСБ-1.
§ 30-2. Магнито-электроразрядные
вакуумметры
В преобразователе магнито-электроразряд-
ного вакуумметра используется явление элек-
трического разряда через разреженный газ
в магнитном поле при высоком напряжении
(до 3000 в) между электродами манометра.
В магнитном поле траектории электронов
искривляются; электроны двигаются по спи-
рали, благодаря чему сильно увеличивается
длина свободного пробега этих электронов
в манометре, а следовательно, увеличивается
вероятность столкновения их с нейтральными
молекулами газа и вероятность ионизации этих
молекул. Значение разрядного тока является,
таким образом, функцией измеряемого ва-
куума.
На фиг. 30-3 показано устройство электро-
дов для удлинения пути свободного пробега
электронов. Если в электрическом поле, созда-
ваемом катодами К\ и ./<2 и анодом А, имею-
щим форму кольца, действует также магнит-
Фиг. 30-3. К вопросу
об удлинении пути
свободного пробега
электронов в элек-
трическом и магнит-
ном полях
ное поле напряженностью Н, то электроны бу-
дут перемещаться от катода к аноду, совершая
много оборотов по спирали по пути к послед-
нему. Увеличение пути электронов при этом
настолько велико, что для измерения давлений
от 10-3 до 10“5 мм рт. ст. можно обойтись без
Фиг. 30-4. Устройство
магнито-электрораз-
рядного преобразова-
теля
накаленного катода, так как достаточным
источником электронов и ионов является есте-
ственная ионизация остаточных газов.
На фиг. 30-4 показано устройство магнито-
электроразрядного преобразователя.
Кольцо 1, являющееся, анодом, помещено
в прямоугольной коробке 2 (из красной меди),
являющейся катодом.
Фиг. 30-5. Градуировочные кривые
магнито-электроразрядного
вакуумметра
Коробка (катод) 2 помещается между по-
люсными наконечниками 3 постоянных магни-
тов 4. Полюсные наконечники выполнены пу-
стотелыми из мягкой стали. Таким образом,
В эту же бусу впаяна пластинка 9 также из
ковера; последняя припаивается свинцом t
к верхнему отростку катода. На трубку 7 на- j
дет колпачок 10 из меди, также запаянный i
свинцом в верхней торцевой поверхности. <
Магнитная система закрыта кожухом 11 J
с крышкой 12.
На фиг. 30-5 показаны примерные градуи-
ровочные кривые магнито-электроразрядного ;
манометра. Подобный манометр должен
быть соединен с испытуемой вакуумной систе-
мой по возможности короткой и широкой
трубкой.
§ 30-3. Ионизационный вакуумметр
типа ВИ-3
Принцип действия ионизационных вакуум- j
метров изложен в § 12-2. Принципиальная схе- !
ма измерительной цепи ионизационного вакуум- !
метра типа ВИ-3 представлена на фиг. 30-6. ;
Прибор состоит из ионизационного преобразо- :
вателя (манометрической лампы ЛМ-2), уси-
лителя постоянного тока на лампе 6Н7 и це- ;
пей питания.
Фиг. 30-6. Принципиальная схема измерительной цепи ионизационного вакуумметра ВИ-3
магнитная система находится вне вакуума. Ка-
тод заканчивается трубкой 5, непосредственно
соединяющейся с эвакуируемым объемом.
Вывод 6 анода проходит через трубку 7 из
ковера, * запаянную в стеклянную бусу 8.
* Ковер — сплав, имеющий температурный коэффи-
циент линейного расширения, равный таковому у стекла.
Питание прибора осуществляется от сети
220 в 50 гц через феррорезонансный стабили-
затор (трансформатор Тр{ — конденсатор-
3,0 мкф) и выпрямитель (лампа 6Ц5С). Пита-
ние накала манометрической лампы ЛМ-2
осуществляется непосредственно от сети через
реостат (0—400 ом) и трансформатор Тр2. Се-
точная цепь лампы ЛМ-2 питается полным на-
пряжением выпрямителя (между точками а и
б). Таким образом, ток эмиссии лампы ЛМ-2
протекает на катод через сопротивление 5 ком,
шунт на 10 ма, сопротивление 54 ом, среднюю
точку вторичной обмотки Тр2 и далее с сетки
протекает по цепи сопротивлений 39 ком и
33 ком.
В нормальных условиях (напряжение на
аноде-коллекторе минус 25 в, на сетке -f-200 в
и ток эмиссии 5 ма) постоянная манометриче-
ской лампы ЛМ-2 по току анода равна
1 105 мка/мм рт. ст. давления Р, поступаю-
щего в ее баллон (см. § 12-2). Таким образом,
давлению 10~6 мм рт. ст. соответствует ток
анода в 0,1 мка, давлению 10-5 мм рт. ст.—
1 мка, 10-4 мм рт. ст. — 10 мка и 10~3 мм
рт. ст. — 100 мка. Для измерения этих токов
применен симметричный усилитель постоянно-
го тока с четырьмя пределами коэффициента
усиления по току (103, 102, 10 и 1) и выход-
ным измерителем на 100 мка.
Постоянство тока эмиссии ионизационного
преобразователя (5 ма) поддерживается с по-
мощью лампового регулятора на лампе 6ПЗ.
Сопротивление анод — катод лампы 6ПЗ че-
рез трансформатор Тр3 включено последова-
тельно с нитью накала преобразователя ЛМ-2
и регулируется путем подачи на сетку 6ПЗ
падения напряжения на сопротивлении 33 ком
от тока эмиссии ЛМ-2. Величина тока эмиссии'
контролируется переключением выходного при-
бора на шунт на 10 ма в цепи катода лампы-
ЛМ-2 и регулируется путем изменения потен-
циала катода лампы 6ПЗ делителем напряже-
ния 0,22 мгом.
Для установки одной и той же чувствитель-
ности всего прибора в целом, после установки-
тока эмиссии переключатель пределов устанав-
ливается на контакт К (калибровка). В ре-
зультате этого на вход усилителя постоянного-
тока подается определенное падение напряже-
ния от установленного предварительно тока
эмиссии на сопротивлении 5 ком, а выходной
прибор, регулировкой переменного сопротив-
ления 33 ком, устанавливается на конец,
шкалы.
Перед регулировкой прибора производится
прогрев сетки преобразователя ЛМ-2 (с целью-
обезгаживания), для чего сетка имеет два вы-
вода (/ и 2 на фиг. 30-6), а в приборе преду-
смотрена возможность подключения ее (на
схеме фиг. 30-6 не показано) к цепи на-
кала.
Градуировка прибора произведена по су-
хому воздуху. При использовании вакууммет-
ра для измерения давлений других газов или
их смесей необходимо производить специаль-
ную градуировку манометрической лампы.
Глава тридцать первая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ (ВИБРОМЕТРЫ И АКСЕЛЕРОМЕТРЫ)
§ 31-1. Частотные соотношения
Механические периодические колебания
(вибрации) можно характеризовать двумя из
следующих трех параметров: 1) амплитуда ко-
лебания, 2) амплитуда ускорения и 3) часто-
та. Механические колебания, не имеющие пе-
риодического характера, например, отдельные
удары (импульсы) различной силы, обычно
характеризуют максимальным ускорением и
средней частотой ударов.
Приборы, служащие для измерения переме-
щения, носят название виброметров. Приборы,
служащие для измерения ускорения, называ-
ются акселерометрами. Наконец, вибрографами
называются приборы, воспроизводящие (запи-
сывающие) весь ход колебания за какой-либо
промежуток времени.
Как и всякий измерительный прибор, ви-
брометры и акселерометры не должны замет-
ным образом искажать измеряемый процесс.
Иначе говоря, преобразователи виброметров,
и акселерометров по возможности не должны,
увеличивать массу и изменять собственную
частоту колебательной системы объекта изме-
рения.
Другим требованием, предъявляемым к ви-
брометрам и акселерометрам, как к приборам,
преобразователи которых имеют колебатель-
ную (подвижную) часть, является требование
безинерционного следования этой подвижной
части за всеми изменениями измеряемой ве-
личины, т. е. за изменением перемещения
в виброметрах и за изменением ускорения
объекта в акселерометрах.
Для того чтобы выяснить, при каких усло-
виях и какими средствами выполняется это
требование, рассмотрим более подробно дви-
жение подвижной (колебательной) части пре-
образователя виброметра или акселерометра.
Принцип устройства преобразователя ви-
брометра или акселерометра можно предста-
вить так, как это изображено на фиг. 31-1.
Подвижная часть состоит из массы т, из пру-
жины, имеющей жесткость W, и успокоителя,
оказывающего сопротивление движению, про-
порциональное первой степени скорости.
Фиг. 31-1. Принцип устрой-
ства преобразователя вибро-
метра или акселерометра
Положим, что основание А, жестко связан-
ное с объектом измерения, совершает колеба-
ния а = амакс sin шт, а масса т совершает ко-
лебания х = хмакс sin (шт— 8). Тогда переме-
щение массы т относительно основания А
можно представить как
6 = а — х = вмакс sin (шт — ф).
В этих выражениях 8 и ф— сдвиги фаз между
действительным и относительным колебаниями
массы т по отношению к колебаниям осно-
вания А.
Дифференциальное уравнение движения
массы т для любого мгновения можно при
принятых обозначениях написать следующим
образом:
т ^ = Ц79 — Р~,
dr2 dt
<
где W—удельная жесткость пружины;
Р — коэффициент успокоения.
В большинстве случаев практики исполь-
зования виброметров и акселерометров успо-
коением можно пренебречь. Тогда учитывая,
что х = а — 9, уравнение движения можно
написать в следующем виде:
rf-9 । d-a
т -Г- A-WV — m .
dr- 1
Так как
Л2й
— вмакс 0)2 sin И — ф) = — 9ш2,
<Ра „ . „
=“ амакс Ш Sln ШТ = ~~ аШ ’
мине
[Разд. 51
то для мгновенных значений имеем: f
— тш29 -ф- W9 = — тш2а,
откуда ?
п__ mafia '
— ОТШ2 _ U7 • . }
Жесткость пружины W определяет частоту;
ш0 собственных колебаний системы: I
л
ш0= I/ — или W=u,m. ?
и г т о !,
Тогда, обозначив ш/ш0 = 2, получим для 9f
следующее выражение;
g__ mafia _______ d-u !
—1) —1 f
ИЛИ
6маКс sin - Ф) = амакс sin шт, '
о = а ------------.
макс макс )2___ J f
Если Л очень мало, т. е. — < 1, то !
"о
a w2
9 =— а 22 =------------и-акс—. 6
макс макс 2 ‘
Ш° f
Но ^2амакс—есть амплитуда ускорения объекта!
измерения (точнее корпуса преобразователя).
Слёдовательно, если угловая частота собст-{
венных колебаний ш0 подвижной части значи-!
тельно больше, чем угловая частота вынуж-;
денных колебаний ш, то масса т будет пере-1
мещаться относительно корпуса А с ампли-
тудой, пропорциональной ускорению объекта!
измерения; прибор будет работать в качестве!
акселерометра. Коэффициент пропорциональ-1
ности между вмакс и амаксш2 равен и при
“о |
значительных ш0 очень мал. Поэтому переме-;
щение вмакс подвижной части относительно;
объекта измерения при больших ш0 очень J
мало и прибор обладает очень малой чувстви-j
тельностью. Этим обстоятельством ставится!
предел увеличению ш0. j
Если же 2 = — , наоборот, очень велико, I
ш° i
т. е. если ш^>ш0, то имеем: \
9 — а . »
макс макс ?
Масса т будет неподвижна в пространстве,f
и перемещение корпуса А относительно массы 1-
т воспроизводит перемещение объекта измере- [
ния; прибор работает как виброметр. }
Погрешность амплитуды при измерении ви-
брации и ускорений определяется значением Я.
При 2, значительно отличающихся от еди-
ницы (в 8—10 раз) в обе стороны, погреш-
ность измерения не выходит за пределы деся-
тых долей процента.
Кроме погрешности измерения перемеще-
ния и ускорения по амплитуде, имеет место и
погрешность по фазе. Иначе говоря, движение
массы m происходит со сдвигом во времени
относительно перемещения корпуса, различ-
ным для различных частот. При сложной кри-
вой движения (вибраций) испытуемого объек-
та это обстоятельство приводит к значитель-
ным погрешностям и искажениям записывае-
мой кривой вибраций.
Следует отметить, что обе погрешности (по
амплитуде и по фазе) зависят не только от
значения 2, но и от степени успокоения. При
расчетах параметров виброметра и особенно
акселерометра пренебрегать учетом успокое-
ния нельзя. Этот вопрос рассмотрен в ряде
книг [например Л. 4, § 141.
Отметим еще раз, что чем точнее акселеро-
метр измеряет ускорение (т. е. чем больше ,
тем. меньше его чувствительность.
Укажем также, что в качестве акселеромет-
ра может быть использован любой преобразо-
ватель для измерения переменных сосредото-
ченных сил и давлений.
§ 31-2. Индукционные виброметры
Наибольшее распространение получили
индукционные виброметры. На фиг. 31-2,а по-
казано устройство преобразователя индукци-
онного виброметра для измерения вертикаль-
ных вибраций, разработанного А. М. Туричи-
ным и П. Д. Пресняковым (ЛПИ). Катушка /,
укрепленная на направляющем стержне 2 из
латуни, входит в кольцевой зазор, образован-
ный наконечниками 3 и 4 постоянного магни-
та 5, и жестко связана с основанием 6 пре-
образователя. Магнит с наконечниками смон-
тирован в латунной обойме 7. В нижнюю часть
этой обоймы ввернута на резьбе втулка—са-
лазки 8 с шестью подшипниками (по три ввер-
ху и внизу втулки). Втулка-салазки, вместе
с обоймой 7, надевается на центрирующий
стержень 9 из закаленной стали и, благодаря
наличию подшипников, свободно перемещается
по нему в вертикальном направлении. Так как
ось направляющего стержня 2 является про-
должением центрирующего стержня 9, то ка-
лушка 1 оказывается концентричной поверхно-
93 а. М. Туричин.
стям наконечников, образующих кольцевой
зазор.
Обе втулки и магнит соединены с основа-
нием 6 преобразователя посредством пружины
10. Регулировочный винт 11 служит для регу-
6)
Фиг.. 31-2.. Устройство преобразователя
индукционного виброметра для измере-
ния вертикальных вибраций
лировки положения магнитной системы преоб-
разователя относительно катушки.
Резиновые кольцевые прокладки 12 явля-
ются амортизаторами при значительных коле-
баниях подвижной части (магнитной системы),
Фиг. 31-3. Схема
устройства пере-
носного индукци-
онного преобразо-
вателя виброметра
(виброщупа)
которые могут возникнуть при случайном ре-
зонансе (например в момент пуска вибрацион-
ной машины). Арретир 13, прижимающий под-
вижную часть к нижнему амортизатору, слу-
жит для защиты подвижной
I . части и катушки от ударов
при переноске преобразова-
теля.
В кожухе 14 предусмот-
рено окно 15 для наблюде-
ния за работой преобразова-
теля.
Благодаря применению
подшипников трение при от-
носительном перемещении
магнитной системы и центри-
рующего стержня весьма не-
значительно.
На фиг. 31-2,6 показан
внешний вид преобразовате-
ля со снятым кожухом.
Частота собственных ко-
лебаний подвижной части
равна 2 гц. Виброметр с опи-
санным преобразователем
предназначен для записи ви-
браций с амплитудой до 2 мм
и частотой от 10 до 70 гц. При амплитуде виб-
раций, равной 2 мм, и частоте, равной 70 гц,
в катушке индуктируется э. д. с., равная
12 в.
На фиг. 31-3 показано
схематическое устройство
преобразователя, а на
фиг. 31-4 — измерительная
цепь виброметра (вибро-
щупа), разработанного
В. IK. Феррони [Л. 84], по-
зволяющего измерять виб-
рации практически в теч-
ке вибрирующей поверх-
ности. Цилиндрическая ка-
тушка 1 с осью 2 и ци-
линдрической массой 3 из
меди подвешены на двух
плоских пружинах 4, об-
ладающих малой жест-
костью вдоль продольной
оси и весьма большой
жесткостью в поперечной
оси, благодаря чему вся система 1 — 2 — 3
остается жестко центрированной в прост-
ранстве при любом положении преобразова-
теля.
Цилиндрическая катушка 1 и масса 3 на-
ходятся в радиальном магнитном поле посто-
янного магнита 5, закрепленного в корпусе 6.
В корпус 6 ввинчен сменный наконечник 7.
При измерении вибраций преобразователь
устанавливается на вибрирующую поверхность
острием наконечника. Частота собственных ко-
лебаний системы 1—2—3 равна 6 гц. При ви-
брациях корпуса с магнитом с частотой, пре-
вышающей 20 гц, катушка 1 практически
остается неподвижной в пространстве и в ней
индуктируется э. д. с.
Благодаря размещению цилиндрической
массы 3 в магнитном поле магнита, эта масса
одновременно служит успокоителем.
С целью измерения перемещения перемен-
ная э. д. с. преобразователя (фиг. 31-4), про-
порциональная скорости, интегрируется в цепи
RiCt (см. § В-1 и 21-1) и после делителя на-
пряжения R2 — R3 — Ri — R5 (осуществляю-
щего изменение предела измерения прибора
переключателем /71) поступает на сетку
двойного триода Л1—Л2 (усилителя напряже-
ния) .
Усиленное напряжение выпрямляется лам-
пой Л3 и поступает на усилитель постоянного
тока (лампа Л4), работающий в режиме ка-
тодного повторителя.
Миллиамперметр (или вибратор) включен
между анодом лампы Л4 и делителем напря-
жения /?6 — Ri — Re-
При левом положении переключателя П2
включаются конденсатор С2 и сопротивления
Фиг. 31-4. Измерительная цепь виброметра
Т?9 и Rio, значения которых подобраны таким
образом, что они образуют контур с большой
постоянной времени, и конденсатор С2 заря-
жается до максимального отрицательного зна-
чения усиленной э. д. с. Поэтому миллиампер-
метр в этом случае будет показывать ампли-
тудное значение э. д. с. (а следовательно и
вибраций).
При правом положении переключателя П2
включается конденсатор С3, значение емкости
которого выбрано таким, чтобы он успевал
разряжаться на сопротивления Rg— Rio- По-
этому миллиамперметр в этом случае будет
показывать некоторое среднее значение вибра-
ций.
На выходе выпрямителя включен сглажи-
вающий фильтр Са —/?12, благодаря чему при-
бор не реагирует на отдельные "толчки, что
в случае неспокойной работы объекта измере-
ния представляет некоторое удобство.
При записи кривой вибраций на выход при-
бора включается вибратор осциллографа,
а выпрямительная часть прибора отключается
путем переключения переключателя П3 в верх-
нее положение.
Регулировка чувствительности прибора про-
изводится изменением величины катодной на-
грузки (сопротивлением /?1з).
Регулировка начального смещения лампы
Ла производится делителем R\a-
Прибор имеет пределы измерения (двойной
амплитуды) 50, 100, 250 и 500 мкн. Частотная
характеристика практически линейна в преде-
лах от 20 до 800 гц.
Шкала прибора практически линейна на
зсех пределах измерения. В диапазоне частот
эт 20 до 800 гц показания прибора не зависят
эт частоты.
Для измерения вибраций малой частоты
(порядка единиц герц) индукционные вибро-
метры обладают малой чувствительностью и
значительной погрешностью. В последнее вре-
мя для измерения вибраций малой частоты ста-
ли разрабатывать приборы с индуктивными
преобразователями.
§ 31-3. Акселерометры
Выше было упомянуто, что в акселеромет-
эах могут быть использованы все преобразова-
тели, применяемые в приборах для измерения
зилы. В качестве наиболее характерных при-
меров ниже описаны акселерометры с пьезо-
электрическим и проволочным преобразовате-
лями.
Пьезоэлектрический акселерометр. На
]эиг. 31-5 изображен пьезоэлектрический пре-
эбразователь акселерометра. Масса 1 зажата
между двумя парами кварцевых пластин 2 при
помощи нажимного болта 3. Все детали пре-
образователя смонтированы в разъемном кор-
пусе 4—5. Опорные пластины 6 имеют сфери-
13*
ческие поверхности для центровки усилий,
действующих на кварц. Первоначальный на-
тяг, создаваемый болтом 3, по величине дол-
жен превышать наибольшую, силу инерции
массы во избежание отрыва последней от квар-
цевых пластинок.
При высоте кварцевых пластин, равной
3 мм, и диаметре их, равном 15 мм, емкость
всех четырех пластин равна всего 8 пф, что
Фиг. 31-5. Преобразователь пьезоэлектри-
ческого акселерометра
при возникающем на пластинах кварца заряде
создает слишком большое напряжение на пла-
стинах. Поэтому параллельно с преобразова-
телем включается конденсатор С емкостью
5000 пф, что при измерении ускорения, рав-
ного 1000 g, обеспечивает напряжение, равное
примерно 0,8 в. Это напряжение включается
на открытую сетку первой (электрометриче-
ской) лампы усилителя.
Фиг. 31-6. Принцип использо-
вания проволочного преобра-
зователя для измерения
ускорений
Частота собственных колебаний описанного
преобразователя равна примерно 6000—
7000 гц.
Акселерометр с проволочным преобразова- »
телем. Идею использования проволочного пре-
образователя для измерения ускорений иллю-
стрирует фиг. 31-6. Основание А крепится
к. объекту измерения. Сила инерции массы пг
растягивает или сжимает упругий элемент В,
где наклеены преобразователи Пр.
Конструкция подобного акселерометра, раз-
работанного И. Б. Бартером (ЛПИ), изобра-
жена на фиг. 31-7. Все устройство смонтирова-
но в цилиндрическом корпусе 1. Упругий эле-
мент выполнен в виде двух тонкостенных ци-
линдрических стаканов 2, основания которых
соединены при помощи болта 3 и гайки 4. На
сторонах, противоположных основаниям, ста-
каны снабжены кольцевыми выступами, кото-
рые упираются в заплечики, выточенные в кон-
цевых сечениях корпуса.
Фиг. 31-7. Устройство аксе-
лерометра с проволочным
преобразователем
Суммарная длина обоих стаканов меньше,
чем длина корпуса. Поэтому при затягивании
гайки 4 происходит первоначальное натяжение
стенок стаканов. Этот первоначальный натяг
необходим для того, чтобы преобразователь
стал дифференциальным, т. е. чтобы при при-
ложенном измеряемом усилии один стакан
растягивался, а другой сжимался.
Крепление корпуса к основанию произво-j
дится следующим образом. Шайба 5, имеющая
резьбу на внешней боковой поверхности, при
помощи болта 6 крепится к основанию. Корпус
прижимается к шайбе 5 посредством фигурной*
накидной гайки 7, которая навинчивается на
шайбу 5.
Роль массы т, сила инерции которой де-
формирует упругий элемент, выполняет масса
днищ стаканов, масса болта 3 и гайки 4 и
масса добавочных шайб, закрепляемых на бол-.
те 3. |
Меняя число добавочных шайб, можно
регулировать частоту собственных колебаний
]/1£
, _ Г ml
-------2Г~ ’
где I — рабочая длина стакана;
5—удвоенная площадь поперечного сече-
ния рабочей части стакана;
Е—модуль упругости материала стакана.,
На каждый стакан наклеено по два прово-
лочных преобразователя, проволоки которых}
направлены по образующим цилиндрических?
поверхностей стаканов; каждая пара прово-
лочных преобразователей, наклеенная на один
стакан, включается в противоположные плечи?
одинарного моста.
Применение четырех проволочных преобра-
зователей исключает не только температурную
погрешность, но и погрешность от изгибных де-
формаций стаканов, так как при изгибе два
проволочных преобразователя, включенных}
в соседние плечи моста, будут растягиваться,
а два других сжиматься, что не отразится на}
значении тока в измерительной диагонали
моста.
Глава тридцать вторая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
(ТОРЗИОМЕТРЫ)
В качестве преобразователей приборов для
измерения крутящего момента могут быть ис-
пользованы индуктивные, индукционные, ем-
костные, проволочные и другие преобразова-
тели.
Большинство существующих конструкций
преобразователей рассматриваемых приборов
имеет устройство в виде щеток, скользящих
по кольцам для включения в измерительную
цепь токоведущей части преобразователя, вра-
щающейся вместе с испытуемым валом. Это
обстоятельство является серьезным недостат-
ком подобных преобразователей, так как за-}
грязнение трущихся контактных поверхностей,
особенно маслом, является источником по-
грешностей измерения. Несколько лучшие ре-
зультаты дает применение ртутных контактов!
для подвода тока.
Известны, однако, конструкции преобразо-
вателей электрических торзиометров, в кото-
рых отсутствует контактное устройство. Ниже,
описываются два типа подобных торзиометров.J
§ 32-1. Индуктивные торзиометры
без контактного устройства
Подобные торзиометры, разработанные
А. М. Туричиным, П. В. Новицким и С. А. Кра-
син (ЛПИ), имеют преобразователь, изобра-
женный на фиг. 32-1.
Преобразователь выполнен в виде вставной
муфты и состоит из двух основных частей: ро-
тора 1 и статора 2, соединенных друг с другом
шариковыми подшипниками 3.
из мягкой стали, на котором выфрезерованы
зубцы 11.
Таким образом стальной цилиндр 10 зуб-
цами разрезается на три части; крайние части
оказываются скрепленными с ободами 8 и 7,
а средняя с ободом 9.
При нагрузке испытуемого двигателя ротор
преобразователя, соединяющий двигатель с на-
грузкой, скручивается; точнее говоря, скручи-
вается гибкий вал — цилиндр 5, благодаря че-
му обода 8 и 7 смещаются (в вертикальной пло-
Фиг. 32-1. Преобразователь индуктивного
торзиометра без контактного устройства
Ротор 1 соединяется с испытуемым валом
при помощи фланцев 4 с полужестким зубча-
тым зацеплением и представляет собой полый
цилиндр («гибкий вал») 5 из легированной
стали, снабженный прорезями 6 для уменьше-
ния напряжений, возникающих в материале.
На цилиндре 5 горячей посадкой укреплены
ободы (из силумина) 7, 8 и 9.
На ободах 7, 8 и 9 укреплен цилиндр 10
скости) относительно среднего обода 9 в раз-
ные стороны на равные углы. Благодаря этому
зазоры между зубцами одной системы зуб-
цов (например правой) уменьшаются, тогда как
зазоры другой системы зубцов увеличиваются.
Статор из мягкой стали выполнен разъем-
ным для того, чтобы иметь возможность раз-
местить в нем катушки 12. Обе половины ста-
тора стягиваются болтами 13.
Магнитный поток Ф> создаваемый каждой
из катушек, проходит через статор, затем че-
рез воздушный зазор между статором и рото-
ром и замыкается через воздушный зазор
между зубцами; часть же потока замыкается
мимо рабочего зазора через боковые поверх-
ности зубцов, образуя утечку магнитного пото-
ка, уменьшающую чувствительность преобра-
зователя.
Таким образом, при скручивании преобра-
зователя зазоры одной системы зубцов умень-
шаются, вследствие чего уменьшается магнит-
ное сопротивление для потока, замыкающегося
через эти зазоры, и увеличивается электриче-
ское сопротивление Z катушки.
Фиг. 32-2. Принципиальная схема измери-
тельной цепи индуктивного торзиометра
Во второй системе зубцов воздушные зазо-
ры между ними возрастают и сопротивление
Z катушки уменьшается.
Обе катушки включаются в соседние плечи
автоматического моста переменного тока
(фиг. 32-2).
Катушки Пр преобразователя включены
последовательно с двумя симметричными сек-
циями первичной обмотки взаимной индуктив-
ности М. Э. д. с. вторичной обмотки этой вза-
имной индуктивности (являющейся измеритель-
ной диагональю моста) уравновешивается
падением напряжения на реохорде Rp авто-
матического компенсатора типа ЭПП-09.
Реостат Ro служит для установки электриче-
ского нуля прибора. Сопротивление R^ пред-
назначено для установки величины рабочего
тока в цепи реохорда Rp, питающегося от того
же источника U, т. е. для регулировки предела
измерения. ?
Вследствие того, что преобразователь рабо-
тает в режиме заданного напряжения, прирост
тока в первичной обмотке взаимной индуктив-
ности оказывается сдвинутым относительно пи-
тающего напряжения U на 90° (см. § 9-4).
Благодаря взаимной индуктивности М напря-
жение на измерительной диагонали моста (во
вторичной катушке взаимной индуктивности
М), изменяясь по величине при изменении пол-
ного сопротивления Z катушек Пр преобразо-
вателя, остается совпадающим по фазе с на-
пряжением U, питающим цепь, а следователь-’
но, и с падением напряжения на реохорде Rp
(поскольку ток в реохорде совпадает по фазе(
с U).
Таким образом, описываемый автоматиче-
ский компенсатор переменного тока уравнове-
шивается при помощи одного регулируемого
элемента (реохорда Rp).
Практически взаимную индуктивность ока-
зывается возможным выполнить в виде транс-!'
форматора со стальным сердечником и воз-
душным зазором.
§ 32-2. Индукционные торзиометры
Преобразователи этих торзиометров пред-
ставляют собой два синхронных однофазных
(чаще всего реактивных) генератора, роторы
которых насажены на испытуемый вал в двух
его сечениях. Статоры обоих генераторов
включены встречно; при отсутствии момента-
э. д. с., индуктируемые в них, равны друг дру-
гу и сдвинуты по фазе на 180° (Ею и £20 на
Фиг. 32-3. Векторная диаграмма и эквива-
лентная схема индукционного торзиометра
фиг. 32-3). При наличии момента, скручиваю-,
щего вал, роторы преобразователя смещаются
друг относительно друга, вследствие чего
э. д. с. обоих статоров (Е] и Е2 на фиг. 32-3)
окажутся сдвинутыми друг относительно друга
на угол
<Р = <РоР>
где <с0 — угловая деформация вала;
р — число пар полюсов ротора.
Если измеряемый момент и угол <р0 малы,
то необходимо увеличивать число пар полю-
сов. Следует отметить целесообразность ис-
пользования в подобных случаях реактивных
генераторов В. П. Вологдина (фиг. 32-4). По-
стоянный магнит создает магнитный поток Ф,
разветвляющийся на две части: Ф| и Ф2, за-
мыкающийся через ротор, выполненный из
мягкой стали.
Магнитное сопротивление каждого из пу-
тей потока будет наименьшим, когда под воз-
душным зазором магнитной цепи катушки на-
ходится зубец ротора; наибольшим, — когда
под воздушным зазором магнитной цепи ка-
тушки находится впадина полюса. Благодаря
этому магнитный поток перераспределяется
между катушками с частотой, определяемой
скоростью вращения и числом полюсов ротора,
Фиг. 32-4. Принцип устройства гене-
ратора индукционного торзиометра
и в катушке будет индуктироваться перемен-
ная э. д. с. Два подобных генератора и об-
разуют индукционный преобразователь торзио-
метра.
Следует отметить также возможность ис-
пользования при малых <р0 в качестве генера-
торов головок магнитофона, поместив на
роторе ленту с магнитной записью.
Разность фаз э. д. с. обоих генераторов
преобразователя можно характеризовать либо
разностью э. д. с. &Е (фиг. 32-3,а), либо не-
посредственно временем (фазой) запаздывания
одной э. д. с. относительно другой.
Значение ДЕ можно измерить вольтметром
|(фиг. 32-3,6). Нетрудно видеть, что ДЕ зави-
сит не только от сдвига <р между Е] и Е2,
но и от абсолютных значений обеих э. д. с.,
пропорциональных скорости вращения, в ре-
зультате чего ДЕ оказывается пропорциональ-
ной не моменту, а мощности.
Факторы, влияющие на абсолютное значе-
ние Е] и Е2 (температура, несинусоидальность
кривых Ei и Е2, ибо при наличии высших гар-
моник ДЕ будет искажена сильнее, чем Ej и
Е2), вызовут значительную погрешность ДЕ,
«особенно при малых значениях ДЕ относи-
тельно Ei и Е2.
Значительно точнее можно измерить кру-
тящий момент, если перейти к непосредст-
венному измерению <р методами измерения
времени. Измерительные цепи подобных при-
боров можно разделить на две группы.
В одной группе цепей кривые э. д. с. пре-
образователя преобразуются в прямоугольные
импульсы. Если <р = 0 (фиг. 32-5,а), то при-
бор, учитывающий разность прямоугольных
импульсов, покажет нуль. Если же <р==£0
(фиг. 32-5,6), то разность прямоугольных им-
пульсов не равна нулю; ширина заштрихован-
ных участков является функцией <р и изме-
няется от 0 до 7/2. При использовании изме-
рителя, учитывающего только положительные
или отрицательные импульсы (например выпря-
мительный прибор), его показания будут функ-
цией ср.
В другой группе измерительных цепей
кривые э. д. с. преобразователя преобразуются
в пикообразные импульсы (фиг. 32-6,а). В этом
случае на выходе измерительной цепи вклю-
чается спусковая (триггерная) цепь на два
устойчивых положения. В анодных цепях
обеих ламп спусковой цепи протекают токи,
пропорциональные значениям ад и (360°—ср).
Если ср = 0, то спусковая цепь срабатывает
при получении первого импульса и остается
в этом положении бесконечно долгое время.
Ток в аноде одной лампы будет максималь-
ным, а в другой лампе равен нулю. Если же
ср 0 (фиг. 32-6,6), то на спусковую цепь по-
фиг. 32-5. К вопросу о получении прямо-
угольных импульсов с длительностью, рав-
ной сдвигу во времени двух э. д. с.
падают импульсы с обоих каналов, и анодный
ток одной из ламп будет пропорционален
углу ср, а анодный ток другой лампы будет
пропорционален (360° —<р).
Таким образом, анодный ток каждой из
ламп спусковой цепи может изменяться
в функции от измеряемого угла у, переменного
в пределах от 0 до 360°, тогда как суммиро-
вание прямоугольных импульсов обеспечивало
изменение показаний измерителя лишь в функ-
ции угла <р, переменного в пределах от 0
до 180°.
Преобразование формы э. д. с. преобразо-
вателей в прямоугольные и пикообразные им-
пульсы осуществляется применением ограничи-
вающих и дифференцирующих узлов измери-
тельной цепи. Так как операции ограничения и
Фиг. 32-6. К вопросу о преобразовании пикообразных
импульсов в прямоугольные
дифференцирования э. д. с. преобразователя
связаны со значительным уменьшением этой
э. д. с., то в измерительной цепи предусмат-
ривается ряд усилителей.
Таким образом, структура измерительной
цепи торзиометра с индукционным преобразо-
тель; суммирующая цепь в данном случае вы-
полняет функцию вычитания прямоугольных
импульсов.
Если же измерительная цепь работает на
пикообразных импульсах, то после усиления и
ограничения необходимо импульсы дифферен-
цировать (а иногда после дифференцирования
и ограничивать). Суммирующей цепью в этом
случае является спусковая цепь.
Само собой разумеется, что число каска-
дов усилитель — ограничитель может быть и
больше двух, в зависимости от э. д. с. генера-
тора и необходимой крутизны фронта им-
пульса.
На фиг. 32-8 приведена, в качестве приме-
ра, измерительная цепь торзиометра, разрабо-
танная П. В. Новицким и Ю. Е. Орловым.
Э. д. с. обоих генераторов преобразователя
включены на вход 1 и вход 2 соответственно.
Так как в качестве магнитной цепи преобразо-
вателей в данном приборе были использованы
головки и ленты магнитной звукозаписи, то
э. д. с. каждого из генераторов не превосхо-
дила нескольких милливольт.
Каждая из э. д. с. в описываемой измери-
тельной цепи претерпевала следующий ряд
преобразований для получения пикообразных
импульсов. Сначала э. д. с. усиливаются двумя
ступенями на лампах Л\ и Л2, затем ограни-
чивается диодами Л3, затем снова усиливается
лампой Л4, после чего ограничивается диодами
Л5, еще раз усиливается лампой Л6 и ограни-
чивается диодами Л7, после чего дифференци-
руется цепочкой С]—и ограничивается
диодом Л8 и снова дифференцируется цепоч-
кой С2 /?2.
Фиг. 32-7. Структурная схема измерительной цепи индукционного торзиометра
вателем может иметь вид, например, изобра-
женный на фиг. 32-7.
Если измерительная цепь работает на пря-
моугольных импульсах, то после двухкратного
усиления и ограничения импульсы поступают
в суммирующую цепь и затем в измери-
После последнего дифференцирования обе )
э. д. с. поступают в спусковую цепь на лам- 5
пах Лд. I
Изменение потенциала с анодов спусковой »
цепи снимается с помощью катодных повторщ f
телей на лампах Лю. )
Для того чтобы исключить погрешность, вом уровне (лампы <Яц) и последующего двух-
обусловленную колебаниями напряжения ис- стороннего ограничения на лампах Лц до зна-
точников питания ламп спусковой цепи, целе- чения + 10 в. От этого напряжения через со-
сообразно из кривой напряжения, получаемой противления и R4 питается цепь реохорда,
со спусковой цепи, выделить участок, который по положению движка которого и производит-
Фиг. 32-8. Схема измерительной цепи
индукционного торзиометра
бы не зависел от питающего напряжения и то-
ка накала ламп. Эта задача выполнена при
помощи предварительного фиксирования ниж-
него (отрицательного) края кривой выходного
напряжения катодных повторителей на нуле-
ся отсчет. Постоянная составляющая напря-
жения с реохорда подается на вход следящего
устройства компенсатора ЭПП-09 через сгла-
живающий фильтр Rs — С3 — Re.
Глава тридцать третья
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
(ТАХОМЕТРЫ)
Типы и конструкции применяемых электри-
ческих тахометров весьма разнообразны. В на-
стоящей главе рассматриваются тахометры че-
тырех групп:
1) индукционные тахометры, использующие
индукционные преобразователи;
2) электроимпульсные тахометры, исполь-
зующие импульсы тока при разряде образцо-
вого конденсатора при помощи того или иного
контактного устройства, связанного с вращаю-
щимся валом объекта измерения;
3) фотоэлектрические или фотоимпульсные
тахометры, использующие импульсы света, па-
дающие на фотоэлемент через диафрагму, по-
мещенную между валом измеряемого объекта
и фотоэлементом;
4) стробоскопические тахометры.
Тахометры каждой из перечисленных групп
встречаются в практике измерений скорости
вращения в весьма различных конструктив-
ных модификациях. Ниже будут описаны лишь
наиболее распространенные типы тахометров
каждой из четырех групп.
§ 33-1. Индукционные тахометры
Индукционные тахометры нашли особенно-
широкое применение на средствах транспорта.
Поэтому важное значение при конструирова-
нии тахометров этого типа имеет вопрос
о температурной погрешности, поскольку тем-
пературные условия работы таких приборов
могут колебаться в весьма широком диапазоне:
от —60 до +60° С. При рассмотрении устрой-
ства этих тахометров вопросу о температурной
погрешности будет уделено особое внимание.
Индукционные тахометры с генератором
постоянного тока в качестве преобразователя.
Эти тахометры, часто называемые «таходина-
мо», представляют собой небольшую динамо-
машину, якорь которой вращается от испытуе-
мого вала (иногда через редуктор). Измери-
телем является магнитоэлектрический вольт-
метр, приключенный к щеткам генератора и
градуированный непосредственно в единицах
оборотов в минуту.
Возбуждение динамомашины обычно осу-
ществляется постоянными магнитами, хотя
встречаются конструкции и с электромагнит-
ным (независимым) возбуждением.
Основным недостатком тахометров с дина-
мо постоянного тока является наличие кол-
лектора, что в условиях эксплуатации на
транспорте вызывает ряд трудностей (искре-
ние на щетках, изменение переходного сопро-
тивления между щетками и коллектором,
вследствие загрязнения или замасливания кол-
лектора, и т. д.).
Индукционные тахометры с генератором
переменного тока в качестве преобразователя.
Генераторы переменного тока свободны от не-
достатков, связанных с наличием коллектора;
отвод тока к измерителю в них осуществляется
от неподвижных обмоток. В качестве измери-
теля обычно применяют ферродинамические
или выпрямительные вольтметры.
Измерителем в индукционных тахометрах
•с генератором переменного тока могут служить
не только вольтметры, но и герцметры. Подоб-
ные тахометры обладают тем преимуществом,
что частота э. д. с., развиваемой генератором
переменного тока, является функцией только
скорости вращения ротора и не зависит от та-
ких факторов, как температура, постоянство
магнитных характеристик во времени и т. д.
В индукционном тахометре, разработанном
В. О. Арутюновым и Л. Л. Карасик, в качестве
герцметра использован ферродинамический ком-
пенсационный логометр. Измерительная цепь
герцметра изображена на фиг. 33-1; буквой
F обозначены катушки возбуждения логометра,
•S — рамка логометра, гГ и хг—активное и
реактивное сопротивления цепи рамки; индук-
тивность L включает в себя и индуктивность
«атушек возбуждения логометра.
Элементы цепи подбирают так, чтобы при
«среднем значении диапазона измеряемой ско-
рости вращения (в середине шкалы) в цепи ।
L—С был резонанс, т. е. чтобы ток /, а сле-t
довательно, и поток, создаваемый м. д. с. *
катушек F, совпадал по фазе с напряжением, I
приложенным к зажимам герцметра. ;
Так как устойчивое положение рамки лого- (
метра имеет место только при сдвиге между j
/г и потоком Ф, создаваемым катушками F,
Фиг. 33-1. Схема измерительной цепи и
векторная диаграмма измерителя . ;
(герцметра) тахометра
равном 90° [Л. 4], то значения Со, L, г0 и гг
выбираются такими, чтобы ток 1Г при среднем
значении диапазона измеряемой скорости вра-
щения был сдвинут на 90° относительно потока ?
неподвижных катушек. Тогда под действием f
э. д. с., индуктированной переменным потоком )
в рамке логометра, последняя установится \
в среднее положение только в том случае, •
когда эта э. д. с. равна нулю [Л. 4]. * ;
На фиг. 33-1 изображена векторная диа- I
грамма токов и напряжений цепи, из которой I
* Подробнее о компенсационном логометре см. (
В. О. Арутюнов, Ферродинамический компенсацией- f
ный логометр и его применения, „Электричество”, 1946,
№ 11 и 1947, № 7. I
видно, что угол между токами 1Г и I (или
потоком Ф, если пренебречь углом потерь
в магнитной цепи катушек F) составляет 90°.
При изменении частоты в ту или другую
сторону от средней нарушаются как резонанс
в цепи катушек возбуждения, так и 90°-й сдвиг
между током 1Г и потоком Ф, и рамка откло-
няется от своего среднего положения в ту или
другую сторону до тех пор, пока индуктиро-
ванная в рамке э. д. с. не восстановит 90°-го
сдвига между током 1Г и потоком Ф в рабочем
зазоре.
Угол отклонения рамок от среднего поло-
жения является, следовательно, функцией ча-
стоты, т. е. функцией скорости вращения
генератора (преобразователя).
Аналитическая зависимость между углом
отклонения рамки и частотой, вытекающая-из
условия 90°-го сдвига между 1Г и Ф, имеет
вид:
где Л = — = ——относительное изменение
х w0 л0
измеряемой частоты (а следовательно, и изме-
ряемой скорости вращения п) относительно
средней частоты <в0 (или, соответственно, /г0);
ш —Шо(14-Лл)
или
п = п0(\. +ЛД
Значение К определяется из выражения:
ь, BSw
К = — ,
где В—индукция в рабочем зазоре;
5 — площадь рамки;
w — число витков рамки.
Приведенное уравнение справедливо при
условиях:
rr>ri;
Х[ > хг;
г0 + щ
<х0
Удовлетворение этих условий при практиче-
ской разработке герцметра не представляет
затруднений.
Наибольший момент герцметра будет иметь
место при
Гг-|Х!|,
что приводит к следующему соотношению
между основными параметрами цепи:
го + гг_Лр
г г ~ *1 ’
Приведенные соотношения могут служить
для расчета элементов цепи измерителя описы-
ваемого тахометра.
Точность тахометров с герцметрог# в каче-
стве измерителя можно характеризовать сле-
дующими цифрами. При измерении скорости
вращения от 2000 до 4000 об/мин. основная
Фиг. 33-2. Преобра-
зователь тахоме-
тра с неподвиж-
ными магнитом и
обмоткой
погрешность не выходит за пределы
+ 10 об/мин-, дополнительная погрешность при
изменении температуры измерителя на 10° С
не выше +5 об/мин-, изменение температуры
преобразователя (генерато-
ра) дополнительной погреш-
ности не вносит.
Преобразователи тахо-
метров выполняются обычно
в виде однофазных генера-
торов с вращающимися маг-
нитами. Если кроме числа
оборотов в минуту нужно
знать направление вращения
вала, то применяются тахо-
метры с генератором двух-
фазного тока и соответ-
ствующим измерителем (на-
пример индукционным вольт-
метром на принципе вра-
щающегося поля).
Весьма простую конструкцию представляют
собой преобразователи тахометров, выполнен-
ные в виде реактивных генераторов, у которых
и магниты и обмотка неподвижны (фиг. 33-2).
В поле подковообразного магнита, на ножках
которого помещены катушки, вращается экс-
центрично насаженный на вал якорь из мягкой
стали.
При вращении вала с сердечником магнит-
ный поток изменяется благодаря изменению
воздушного зазора между полюсами магнита
и якорем, вследствие чего в обмотке индукти-
руется переменная э. д. с.
Тахометры типа, изображенного на
фиг. 33-2, удобно применять лишь при боль-
ших скоростях вращения, так как одному
полному обороту якоря соответствует только
один период э. д. с. При измерении малых
и средних скоростей вращения целесооб-
разнее применять реактивные генераторы, опи-
санные в § 32-2 (фиг. 32-4), одному полному
обороту которых соответствует несколько пе-
риодов переменной э. д. с.
Индукционный тахометр с вращающимся
магнитным полем. Принцип устройства тахо-
метров этого типа показан на фиг- 33-3. Ма-
гнит N — S гибким валом связан с испытуе-
мым валом. В поле вращающегося магнита
расположен металлический диск 1, укреплен-
ный на оси 4. На этой же оси укреплен один
конец пружинки 2 из фосфористой бронзы и
стрелка ж:?. Второй конец пружинки укреплен
неподвижно.
Фиг. 33-3. Принцип устройства
тахометра с вращающимся маг-
нитным полем
При вращении магнита в диске индуктиру-
ются э. д. с., создающие токи, силы взаимодей-
ствия которых с вращающимся полем магни-
тов увлекают диск в направлении вращения
магнита. Вращающему моменту, создаваемому
взаимодействием токов диска и поля магнита,
противодействует момент пружинки 2. Уста-
новившееся отклонение диска, а следователь-
но, и стрелки прибора соответствуют равенству
вращающего и противодействующего момен-
тов. В некоторые конструкциях подобных пре-
образователей применяется несколько магни-
тов, укрепленных на общей оси. Так как ин-
дуктированные в диске э. д. с., а также токи
и вращающий момент прибора пропорциональ-
ны скорости вращения магнита, а противодей-
ствующий момент пружинки пропорционален
углу отклонения (закручивания), то последний
будет линейной функцией скорости вращения
магнита.
Рассмотрим аналитическое выражение этой
функции и температурной погрешности при-
бора. Индуктированную в диске э. д. с. Е мож-
но выразить как
Е=<Ы)р^,
где Ф — магнитный поток постоянного магнита;
nD — линейная скорость пересечения маг-
нитным полем диска (Ь — расстояние
между следами полюсов магнита в
диске);
р — число вращающихся магнитов.
Так как индуктивность диска значительно
меньше, чем его активное сопротивление R, то
действующее значение токов в диске можно
выразить как
Сила взаимодействия F этих токов и магнит-
ного поля, которое можно рассматривать как
неподвижное в пространстве относительно то-
ков, как известно, выражается зависимостью»
F = $I,
а вращающий момент пары сил F равен:
Mt = FD,
или
(33-1)
Противодействующий момент М2 пружинки
равен:
где b и h— ширина и толщина ленты пружинки;
г — модуль упругости материала пру-
жинки;
L — длина ленты пружинки;
ср — угол отклонения (закручивания пру-
жинки).
Установившееся отклонение стрелки со-
ответствует равенству вращающего и противо-
действующего моментов:
’ <33'2)
или
С изменением температуры изменятся: по-
ток постоянных магнитов, сопротивление диска,
геометрические размеры (b, h и L) и модуль
сдвига е пружинки.
При изменении температуры на I градусов
угол отклонения стрелки будет равен:
_ Ф2(1 — <5ф12Ьг©2р
Я(1+<^)6ЛЗ(1--Н03Ц1 —V) ’
где а — положительный температурный коэф-
фициент электрического сопротивле-
ния диска;
Р — положительный температурный коэф-
фициент удлинения материала пру-
жинки;
3 — отрицательный температурный коэф-
фициент магнитной индукции магни-
тов;
у — отрицательный температурный коэф-
фициент модуля упругости пружинки.
Пренебрегая величинами второго порядка
малости (членами, содержащими произведения
температурных коэффициентов), можно напи-
сать:
= 28^ — Зр^-f-у/ — at).
Температурная погрешность тахометра
равна:
Д/г = — (у — а — 3(5 — 28) I = at,
где a = Y — а — 3(5 — 28 — температурный коэф-
фициент тахометра.
Компенсацию температурной погрешности
тахометра этого типа можно осуществить дву-
мя путями:
1) при помощи термомагнитного шунта по-
стоянного магнита;
2) при помощи подбора материала для
диска.
Первый способ можно применить в том
случае, если о- отрицательно, т. е. если
а >7—3,8 — 28..
В этом случае погрешность прибора при
возрастании температуры имеет отрицатель-
ный знак. Так как магнитная проницае-
мость, а следовательно, и шунтирующее дей-
ствие термомагнитного шунта с возрастанием
температуры уменьшаются, то соответственно
возрастает рабочий поток в воздушном зазоре,
чем и компенсируется отрицательная погреш-
ность прибора. Соответствующим подбором
материала и размеров термомагнитного шунта
можно уменьшить температурную погрешность
прибора до значений, допустимых по техниче-
ским условиям.
Второй способ заключается в том, чтобы
подобрать материал диска при заданном мате-
риале пружинки и магнитов с таким расчетом,
чтобы температурный коэффициент диска
удовлетворял условию:
a —(Y —3? —28)=aaonj;cm.
Положим, что температурная погрешность
ие должна превосходить Дд1,5% при измене-
нии температуры на / = 50° С, иначе говоря,
а = ±4 100 = ± 100 =zt3,0-10~4.
nt 50
Фосфористая бронза, применяемая обычно
для пружинок, имеет температурный коэффи-
циент модуля у, равный 4 • 10-4-р,1—, а темпе-
ратурный коэффициент линейного удлинения
= 0,175-10~4 * . Примерное значение тем-
пературного коэффициента индукции постоян-
ных магнитов равно 8 = 0,6- 10~4-j-4- 10-4-ррг
(для магнитов из вольфрамовой или хромистой
стали 3 = 3-10-4-р1—, а для магнитов из ни-
кель-алюминиевых сплавов 8s= 1-10~4-рр^.
Примем 8= 1,0-10-4. Тогда
«ЛЙ« = -°+(Г-3^-28) = - 1,525-Ю-4^
^макс = + о + (Y- 3₽ - 28) = 4,475 • 10-4 -,4 .
Следовательно, для диска применимы сплавы,
температурный коэффициент которых не пре-
восходит 4,47-10~4. Температурная погреш-
ность будет равна нулю, если
а —у —3(5—28,
т. е. (для нашего примера) если а = 1,47Х
XlO-pV
В табл. 33-1 приведены значения темпера-
турных коэффициентов а и удельных сопро-
тивлений р для различных сплавов. * Наиболее
подходящими для рассмотренного выше при-
мера являются сплавы 2-—6.
Весьма часто расстояние от испытуемого
вала до щитка с приборами управления слиш-
ком велико для того, чтобы тахометр можно
было соединить с двигателем при помощи гиб-
кого вала. В этом случае применяют дистан-
ционный индукционный тахометр, состоящий
из трех частей (фиг. 33-4): небольшого трех-
фазного генератора 1, механически (через ре-
дуктор) связанного с валом объекта измере-
* Таблица заимствована из книги С. Ф. Жемчу-
жина и С. А. Погодина, Сплавы для электрических
измерительных и нагревательных приборов, Химиздат,
1928.
Таблица 33-1
I № сплава 1 Состав сплава в % <х-10* (Я р /ом-мм*\ \ )
Си N1 Мп Fe Zn
1 91,95 __ 8,05 0,03 0,3
2 69,68 29,94 0,36 0,36 — 1,2 0,384
3 74,41 25,1 0,13 0,42 0,23 1,9 0,342
4 96,1 — 0,9 — — 2,0 0,158
5 74,41 24,14 0,17 0,7 0,52 2,1 0,328
6 74,92 24,07 0,02 0,58 0,7 2,1 0,313
7 80,0 19,9 —— —- — 2,24 0,246
8 79,76 20,04 — 0,13 —. 2,7 0,264
9 61,63 18,46 0,18 0,24 19,7 3,0 0,332
10 83,97 16,01 —— 0,18 —— 3,1 0,216
11 95,5 4,5 — — 3,2 0,179
12 92,7 — 7,3 — — 3,2 0,197
13 60,16 14,03 Следы 0,3 25,37 3,6 0,36
ния, трехфазного синхронного двигателя 2, пи-
тающегося от генератора и механически свя-
занного с индукционным тахометром 3, рас-
положенным непосредственно на щитке с при-
борами управления. Последние две части, т. е.
синхронный двигатель и тахометр, обычно
оформляются в одном корпусе.
Ротор генератора 1 представляет собой по-
стоянный магнит. При его вращении со ско-
ростью, пропорциональной скорости испытуе-
мого вала, в статоре индуктируется э. д. с.,
частота которой пропорциональна скорости
вращения испытуемого вала. Эта э. д. с. питает
обмотку статора трехфазного синхронного дви-
гателя 2; частота вращения ротора этого дви-
гателя равна частоте питающей э. д. с. и про-
порциональна, таким образом, скорости вра-
щения испытуемого вала.
Фиг. 33-4. Принцип устройства дистанционного
индукционного тахометра
Ротор двигателя имеет короткозамкнутую
обмотку для асинхронного пуска (до впадения
в синхронизм).
Явно выраженные полюса образованы ка-
навками в теле ротора. Магниты 4 тахометра
вращаются со скоростью ротора двигателя 2,
благодаря чему подвижная часть 5 тахометра
(выполняемая обычно в виде колпачка) пово-
рачивается на угол, определяемый равенством
вращающего момента подвижной части тахо-
метра и противодействующего момента пру-
жинки 6. Вращающий момент подобного пре-
образователя достигает 10 Гем.
Дистанционные индукционные тахометры
предназначены для измерения скорости вра-
щения в пределах от 400 до 3500 об/мин.
В этих пределах погрешность их не превышает
+35 об/мин при +20° С и +70 об/мин при
температурах от +50 до — 35° С.
§ 33-2. Электроимпульсные тахометры
[Л. 67]
Эти тахометры состоят из преобразователя,
позволяющего посылать в
одинаковые импульсы то-
ка, частота которых яв-
ляется функцией только
скорости вращения испы-
туемого вала. Отклонение
стрелки измерителя, про-
порциональное среднему
значению тока в единицу
времени (иначе говоря,
количеству электричества,
проходящему через изме-
ритель в единицу време-
ни), будет, таким обра-
зом, функционально свя-
цепь измерителя
Фиг. 33-5. Принципи-
альная схема элек-
троимпульсного тахо-
метра с механическим
переключателем
зано со скоростью вращения испытуемого вала.
Электроимпульсный тахометр с механиче-
ским переключателем (контактным преобра-
зователем), принципиальная схема устройства
которого показана на фиг. 33-5, представляет
собой конденсатор С, который при помощи
коммутатора К, вращающегося от вала испы-
туемого двигателя, соединяется то с источни-
ком тока Е, то с измерителем Г.
Коммутатор, изображенный на фиг. 33-5,
представляет собой барабан, состоящий из
двух изолированных друг от друга металличе-
ских цилиндров с зубцами. Две крайние щет-
ки непрерывно скользят одна по правому, дру-
гая по левому цилиндрам, а средняя щетка
соединяет конденсатор то с левым цилиндром
(тогда конденсатор заряжается), то с правым
(тогда конденсатор разряжается на измери-
тель) .
Количество электричества q, накапливаю-
щееся на конденсаторе при заряде, как извест-
но, определяется выражением:
/ т \
q=CU\l — е~^'), (33-3)
где С — емкость конденсатора;
U—напряжение источника тока;
т — время;
т01 — постоянная времени цепи, в которую
включен конденсатор (x0} = RlC; здесь
R\ — активное сопротивление цепи кон-
денсатора при заряде).
Процесс разряда конденсатора на сопро-
тивление R2, равное R2 — г -ф- Rr, протекает по
закону:
q2 = q^e (33-4)
где т02—постоянная времени цепи, на которую
конденсатор разряжается;
q\ — заряд конденсатора в момент начала
разряда.
Хотя теоретически заряд и разряд проте-
кают бесконечно долгое время, практически
эти процессы можно считать законченными
(с точностью до 0,25%), если время Т заряда
(соответственно разряда) в шесть раз больше,
чем постоянная времени, т. е. если
6т0)<Г>6т02. (33-5)
Таким образом, при соблюдении этого усло-
вия можно считать, что
q2 — CU
и
^=4-^ <33-6)
где у—число пар зубцов на барабане;
~—число оборотов в секунду.
Условие, выраженное уравнением (33-5),
определяет необходимое число зубцов в зави-
симости от параметров цепи.
В одном из выполненных тахометров этого
типа имели место следующие значения пара-
метров:
С =10 мкф', г—10; п — 2000 об/мин-, U=V2e.
При этих параметрах
т 20 -2 000 .п , . о
= '12 = 40
Т~ — = 0,0015 сек.
1VV 1
Если принять
т02 ~ R2C ~ >
то значение R2 должно быть равно:
/?2-=
Т _ 0,0015
6С-'6-10-10-6
= 25 ом.
Основными источниками погрешности элек-
троимпульсных тахометров с конденсатором
являются зависимости показаний прибора от
постоянства напряжения источника тока и от
влияния температуры на емкость конденса-
тора.
Электроимпульсные тахометры с фотоэлек-
трическим преобразователем. В тахометрах
этого типа разрядом конденсатора управляет
фотоэлемент, освещаемый лучом света, отра-
женным от зеркальца, укрепленного на торце-
вой поверхности испытуемого вала.
Зеркальце представляет собой полирован-
ную металлическую пластинку, наполовину за-
черненную с тем, чтобы ток фотоэлемента из-
менялся периодически.
На фиг. 33-6 приведена одна из применяе-
мых схем подобного тахометра [Л. 75]. Фото-
ток, усиленный лампой Л\, создает импульсы
в первичной обмотке трансформатора Тр, бла-
Фиг. 33-6. Принципиальная схема электроимпульсного
тахометра с фотоэлектрическим переключателем
годаря чему во вторичных обмотках трансфор-
матора индуктируется переменная э. д. с.
Цепь, приключенная к двум вторичным об-
моткам трансформатора, играет роль герц-
метра. Если импульсы фототока отсутствуют,
то лампы Л2 и Л2 заперты напряжениями Ui
и U2. При подаче импульсов происходит сле-
дующее: положим, что в течение первого полу-
периода э. д. с. на вторичных обмотках транс-
форматора имеют полярность, обозначенную
на чертеже; тогда к сетке лампы Л2 подается
напряжение, складывающееся с напряжением
Ui, тогда как к сетке лампы Ля приложено на-
пряжение, направленное навстречу напряже-
нию U2. Вследствие этого лампа Л2 остается
запертой, а лампа Л3, наоборот, начнет про-
пускать ток, благодаря чему конденсатор С\
зарядится через катушку а, а конденсатор С2
разрядится через лампу Л3. В течение второго
полупериода полярность на сетках ламп
изменится на обратную, и проводящей станет
лампа Л2; вследствие этого конденсатор Ci
теперь разрядится через лампу, а конденсатор
С2 зарядится через катушку а.
Измерителем является логометр (вторая
катушка b которого все время приключена
к анодной батарее), благодаря чему работа
прибора не зависит от постоянства напряже-
ния анодной батареи, если работа ламп Л2 и
Л3 происходит на прямолинейном участке их
статических характеристик. Измеритель полу-
чает таким образом два импульса заряда за
один период.
Соответствующим подбором величины С
можно добиться, чтобы конденсатор за время
одного импульса фототока практически пол-
ностью заряжался и разряжался. В этом слу-
чае заряд q на конденсаторе может быть вы-
ражен как
(J = C^a = ^^ = Iacp^- = Iacp j >
где Т — период;
f — частота импульсов;
I— среднее значение разрядного тока.
Следовательно,
lacp^fCU,
иначе говоря, среднее значение анодного тока
1аср пропорционально частоте импульсов,
а следовательно, и скорости вращения испы-
туемого вала.
Описываемый тахометр применяется для
измерения скорости вращения от 3000 до
10 000 об/мин.
»
§ 33-3. Стробоскопические тахометры
Стробоскопический метод основан на спо-
собности глаза удерживать в течение некото-
рого времени зрительное впечатление от пред-
мета, уже скрывшегося из поля зрения.
Существует два типа стробоскопических
приборов: стробоскопы с механическим затво-
ром и стробоскопы со световой вспышкой.
В первых стробоскопах наблюдение за вра-
щающимся валом осуществляется через узкое
отверстие в неподвижном экране; между экра-
ном и испытуемым валом помещен диск с не-
сколькими отверстиями, который приводится
во вращение от небольшого двигателя, ско-
рость которого можно плавно регулировать.
Таким образом, наблюдатель видит испытуе-
мый вал лишь в те мгновения, когда отвер-
стие в экране совпадает с одним из отверстий
диска. При равенстве или кратности скоростей )
вращения диска и вала последний будет ка- ;
заться неподвижным. ;
В стробоскопах со световой вспышкой ис-
пытуемый вал периодически освещается без-
инерционным источником света (газосветной {
лампой). При частоте вспышек, синхронной со 8
скоростью вращения вала, последний будет ка* I
заться неподвижным. I
Таким образом, во всяком стробоскопиче-
ском тахометре скорость вращения испытуе-
мого вала равна или кратна частоте рабочей
части стробоскопа (частоте вращения диска ?
или частоте вспышек). ;
Фиг. 33-7. Принцип устройства
стробоскопического тахометра
с механическим затвором
Основными требованиями, предъявляемыми
к любому стробоскопическому прибору, явля- f
ются резкость очертания «остановленного» ;
объекта измерения и хорошая видимость. f
В стробоскопах с механическим затвором (
оба требования противоречат друг другу. Для I
получения резкости очертания вала приходит- !
ся делать отверстия в диске возможно более I
узкими, но при этом количество света, прохо- j
дящее через отверстия, естественно, умень- j
шается, и видимость вала ухудшается. j
В стробоскопах со световой вспышкой ;
большая резкость очертания достигается'умень- j
шением промежутка времени вспышки, а хо- j
рошая видимость — применением мощных га-
зоразрядных ламп. В современных стробоско-
пических тахометрах время световой вспышки
исчисляется микросекундами. Поэтому в по-
следнее время стробоскопы со световой вспыш-
кой получают все большее распространение.
На фиг. 33-7 показан принцип устройства
стробоскопического тахометра с механическим
затвором. Небольшой шунтовой двигатель 1,
питаемый от аккумуляторной батареи напря-
жением 12 или 24 в, вращает алюминиевый
диск 2 с отверстиями 3.
Регулировка оборотов диска производится
реостатом в цепи возбуждения двигателя и
электромагнитным тормозом в виде магнита
4, между полюсами которого вращается
диск 2. Перемещая магнит относительно диска,
можно очень плавно регулировать скорость
вращения последнего. Число оборотов диска
Фиг. 33-8. Схема стробоскопического тахометра со
строботроном,' управляемым мультивибратором
в минуту измеряется, например, индукционным
тахометром Тах, вмонтированным в стробо-
скоп. Все устройство выполнено в виде руч-
ного портативного прибора. Подобным стробо-
скопическим тахометром можно измерять ско-
рости вращения до 120 000 об/мин.
В стробоскопических тахометрах со свето-
.вой вспышкой питание газосветной лампы,
вообще говоря, может производиться от
любого генератора переменной частоты — ме-
ханического, камертонного или лампового.
В последнее время для этой цели используются
преимущественно ламповые релаксационные
генераторы: мультивибраторы или блокинг-ге-
нераторы. . .
Принципиальная схема одного из подобных
стробоскопов с мощной газоразрядной лампой
{строботроном), управляемой мультивибрато-
ром, приведена на фиг. 33-8 [Л. 78].
Строботрон представляет собой двухсеточ-
ную газосветную лампу с холодным катодом,
допускающую при среднем токе катода, равном
50 ма, большие пиковые катодные токи от 10
до 200 а (и даже до 300—400 а). Анодное на-
пряжение не превышает 300 в, а запуск стро-
ботрона с частотой вспышек до 250 гц произ-
водится от мультивибратора, собранного на
лампе 6Н7. Частота вспышек регулируется из-
менением положительного смещения на сетках
ламп мультивибратора делителем R.
Принципиальная схема стробоскопа с управ-
лением газосветной лампы от блокинг-генера-
тора приведена на фиг. 33-9. Частота генера-
тора регулируется от 25 до 400 гц путем
изменения постоянной времени цепи сетки бло-
кинг-генератора сопротивлением R. Частота
вспышек синхронизируется подачей переменно-
го напряжения на зажимы «синх» и может
Фиг. 33-9. Схема стробоскопического
тахометра с газосветной лампой,
управляемой блокинг-генератором
быть проверена по частоте сети на частотах,
кратных 50 гц, путем наблюдения в свете газо-
светной лампы язычка К., колеблющегося с ча-
стотой сети.
Раздел шестой
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Глава тридцать четвертая
ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ
§ 34-1. Общие соображения. Температурная
шкала
В настоящем разделе рассмотрены электри-
ческие приборы для измерения температуры
в весьма широком диапазоне: от —260' до
14 А. М. Туричин.
4-2000 °C и выше. Наибольшее применение
в практике измерения температуры получили
электрические термометры сопротивления и
термоэлектрические пирометры, теория и основ-
ные характеристики которых изложены в пер-
вой части книги.
Для измерения высоких температур (1000—
2000° С и выше) широкое распространение по-
лучили пирометры, использующие лучистую
энергию тел, температура которых измеряется.
К этой группе пирометров, объединяемых
обычно названием «пирометры излучения», от-
носятся три, по существу самостоятельных, типа
пирометров: 1) оптические (яркостные), 2) ра-
диационные и 3) цветовые пирометры.
Каждый из этих типов пирометров исполь-
зует зависимость определенного параметра из-
лучения от температуры: оптические пиромет-
ры — зависимость интенсивности монохромати-
ческого излучения (точнее излучения узкого
спектрального участка) от температуры, радиа-
ционные — зависимость полной энергии излуче-
ния от температуры и цветовые — зависимость
спектрального состава излучения (цвета) от
температуры.
Наконец, в отдельную группу выделены
фотоэлектрические пирометры. Эти пирометры,
строго говоря, являются частными случаями
трех упомянутых выше типов пирометров из-
лучения, поскольку они основаны на тех же
зависимостях параметров излучения от темпе-
ратуры; общим для них является лишь исполь-
зование фотоэлементов в качестве лучеприем-
ников. Это обстоятельство оправдывает объеди-
нение их в отдельную группу с точки зрения
общности как в конструктивном отношении, так
и в отношении эксплуатационных характери-
стик. Для того чтобы оттенить используемый
фотоэлектрическим пирометром параметр излу-
чения, применяются названия; фотоэлектриче-
ский яркостный пирометр, фотоэлектрический
цветовой пирометр.
Температурная шкала. Измерение темпера-
туры основывается на использовании функцио-
нальной зависимости от температуры различ-
ных свойств тел: теплового расширения, упру-
гости насыщенных паров, электродвижущей
силы термоэлектрической пары, электрического
сопротивления проводников и температурного
излучения.
Установить температурную шкалу — это
значит установить точную зависимость между
термическими свойствами какого-либо тела и
его температурой, выбрать нулевую температу-
ру, а также тот интервал температур, который
устанавливается в качестве единицы.
Для создания температурной шкалы есте-
ственно выбрать такое тело и такое его свой-
ство, которое позволило бы иметь наиболее
простую, т. е. линейную, зависимость изменяю-
щегося свойства тела от температуры; иначе
говоря, температурный коэффициент данного
свойства тела должен быть независимым от I
температуры. |
Однако не существует физического тела, )
температурный коэффициент свойств которого |
не менялся бы с температурой. Только идеаль-
ный газ имеет независимые от температуры. )
термический коэффициент объемного расшире-
ния при постоянном давлении и термический I
коэффициент давления при постоянном объеме, f
Реальные газы уже не имеют линейной зави-
симости между температурой и объемом (или )
давлением). )
Из различных газов меньше всех отклоняет- |
ся от законов идеального газа водород.
В 1889 г. международным соглашением была-
принята в качестве нормальной температурной £
шкалы стоградусная шкала водородного термо- |
метра с постоянным объемом, с начальным J
давлением в 1 м рт. ст. и с двумя основными ।
точками: 0° — температура тающего льда
100° — температура насыщенных паров воды,.
кипящей на широте 45° при нормальном дав-
лении. j
Недостатком водородного термометра яв-
ляется диффузия водорода при высокой тем- |
пературе через стенки сосуда, в который он f
заключен, и химическое воздействие его на I
материал сосуда. При низких же температурах i
водород значительно отклоняется от свойств,
идеального газа.
Рациональное решение вопроса о темпера-
турной шкале удалось получить с помощью
второго начала термодинамики. Как известно, |
работа, совершаемая по циклу Карно, прямо1 г
пропорциональна разности температур изотерм )
цикла и совершенно не зависит ни от природы f
тела, ни от его температуры. Если в качестве- {
изотерм цикла Карно выбрать температуру |
тающего льда и температуру паров кипящей \
воды и эту разность температур разделить Ha,
сто равных частей, то мы получим значение |
градуса термодинамической температурной |
шкалы.
Можно доказать, что термодинамическая |
температурная шкала совершенно тождествен-
на температурной шкале идеального газа. s
Практически использовать термодинамиче-1
скую шкалу весьма сложно, вследствие невоз-1
можности осуществить обратимый цикл Карно.
Поэтому разработаны методы введения попра-}
вок к показаниям водородного термометра от-1
носительно термодинамической шкалы. S
Однако газовые термометры практически |
неудобны, а часто и вовсе неприменимы для |
повседневного технического измерения темпе-J
ратуры. Поэтому применяют различные термо |
метры (ртутные, термометры сопротивления
и т. д.), шкалы которых с помощью газовой
шкалы приводятся к эталонной термодинамиче-
ской шкале. Шкалы подобных термометров
строят по основным точкам, температура кото-
рых установлена по эталонной шкале.
Выбор и численное значение температур
основных точек, а также методы интерполяции
для промежуточных между основными точками
температур даны в положении о международ-
ной температурной шкале (МТШ), принятом
VIII Генеральной конференцией по мерам и ве-
сам в 1933 г. и введенном в СССР с 1 октября
1934 г. (ОСТ 6954). Для обозначения темпе-
ратур в градусах МТШ принят знак ° С.
Основными точками международной шкалы
являются:
1) температура, равновесия между жидким
и газообразным кислородом при нормальном
атмосферном давлении (точка кипения кисло-
рода), равная — 182,97° С;
2) температура равновесия между льдом и
насыщенной воздухом водой при нормальном
атмосферном давлении (точка плавления
льда), равная 0,000°С;
3) температура равновесия между жидкой
водой и ее паром при нормальном атмосфер-
ном давлении (точка'кипения воды), равная
100,000е С;
4) температура равновесия между жидкой
серой и ее паром при нормальном атмосферном
давлении (точка кипения серы), равная
444,60° С;
5) температура равновесия между твердым
и жидким серебром при нормальном атмосфер-
ном давлении (точка плавления серебра), рав-
ная 960,5° С;
6) температура равновесия между твердым
и жидким золотом при нормальном атмосфер-
ном давлении (точка плавления золота), рав-
ная 1063,0° С.
Методы интерполяции приводят к подраз-
делению температурной шкалы на четыре об-
ласти.
1. От 0 до 660° С температура t выводится
из сопротивления Rt эталонного платинового
термометра сопротивления по формуле:
Rt = R0(l A-At-\-Bt2). (34-1)
Постоянные Ro, А и В определяют путем наблю-
дений в точке плавления льда и в точках ки-
пения воды и серы.
2. От — 190 до 0° С температура выводится
из сопротивления Rt эталонного платинового
14*
термометра сопротивления при помощи фор-
мулы
Rt = Rq [ 1 -j- At + Btz-I- Ct3 (t — 100). (34-2)
Постоянные Ro, А и В определяют, как ука-
зано выше (п. 1), а дополнительная постоянная
С получается на основании измерения сопро-
тивления в точке кипения кислорода.
Чистота и физические свойства платины,
из которой изготовляется термометр, должны
быть таковы, чтобы отношение Rt/R0 было не
меньше 1,390 для t=- 100°С и 2,645 для t —
— 444,6° С.
3. От 660°С до точки плавления золота
(1063° С) температура выводится из электро-
движущей силы эталонной платинородий-пла-
тиновой термопары, один конец которой нахо-
дится при постоянной температуре, равной
0°С, а другой —при температуре I, согласно
формуле:
Е = а 4- bt -j- ct2.
Постоянные а, b и с определяют, нагревая тер-
мопару до температур точек плавления сурьмы,
серебра и золота. При этом температура плав-
ления сурьмы должна измеряться эталонным
платиновым термометром сопротивления (прак-
тически эта температура равна 630,5°С).
4. Выше точки плавления золота температу-
ра определяется отношением силы света
(интенсивности излучения) /2 видимых моно-
хроматических лучей длины волны л (выра-
женной в сантиметрах), испускаемых абсолют-
но черным телом при температуре t, к силе
света /1 лучей той же длины волны, испускае-
мых абсолютно черным телом при температуре
плавления золота.
Формула .
]п 21 с2 / 1_________1 \
/1 X 1336 l-j-273 )’
в которой с2= 1,423 см-град, служит для опре-
деления t, когда (^-)- 273)2 меньше, чем
0,3 см-град.
34-2. Преобразователи промышленных
термометров сопротивления
Для измерения температур до 4-500° С
обычно применяют термометры сопротивления
(если говорить об электрических методах изме-
рения температуры).
Нижним пределом температуры, измеряемой
термометром сопротивления, следует считать
5—10° абсолютной шкалы; при этой температу-
ре сопротивление термометра, равное при 0° С
50 ом, составляет доли ома и может быть из-
мерено еще с достаточной точностью. Зависи-
мость сопротивления платинового термометра
от температуры подчиняется уравнению (34-2)
лишь до —183° С; для более низких темпера-
тур приходится пользоваться табличными зна-
чениями, полученными экспериментально.
а)
б)
Фиг. 34-1. Теплочувст-
вительные элементы
преобразователей пла-
тиновых термометров
сопротивления
Фнг. 34-2. Преобразо-
ватель платинового
термометра сопротив-
ления
Верхним пределом использования платино-
вого термометра сопротивления можно считать
1000° С, однако для температур выше 500° С
практичнее пользоваться термоэлектрическими
пирометрами.
Для медных термометров сопротивления
верхний предел равен 100—150° С; при более
высоких температурах голая медь окисляется,
а тонкая медная проволока в достаточно теп-
лостойкой изоляции в настоящее время не вы-
пускается.
Все основные теоретические положения, ка-
сающиеся преобразователей термометров со-
противления, изложены в § 5-6. В настоящем
параграфе рассматриваются основные кон-
струкции преобразователей термометров сопро-
тивления, а также их измерительные цепи и
эксплуатационные свойства.
Платиновые преобразователи термометров |
сопротивления представляют собой голую про- I
волоку, намотанную на каркас 1 (фиг. 34-1) I
из слюды. В прошлом каркас выполнялся в ви- ►
де креста (фиг. 34-1,а), в настоящее время он (
представляет собой пластинку (фиг. 34-1,6).
Намотка 2 из платиновой проволоки наматы- j
вается бифилярно и укладывается в зубчатую |
нарезку на краях слюды. К концам обмотки (
припаиваются выводы 3 из серебряной прово- {
локи (или ленты); в термометрах сопротивле- (
ния на температуры до 100° С возможно при- (
менение выводов из меди. Каркас в виде слю-
дяной пластинки зажимается между двумя ?.
более широкими пластинами 4 (также из слю- (
ды), служащими для изоляции проволоки от |
арматуры преобразователя. f
Весь пакет из слюдяных пластин перевя- 1
зывается серебряной лентой 5. Подобный па-
кет 1 (фиг. 34-2) вставляется в алюминиевую
трубку (чехол) 2; назначением этой трубки I
является защита платиновой обмотки от ме-
ханических повреждений и от воздействия )
наружной арматуры (трубы) преобразователя. '
Для уменьшения тепловой инерции с обеих
сторон пакета 1 с намоткой помещены метал-
лические вкладыши 3. Выводы находятся j
в фарфоровых бусах 4. I
С точки зрения тепловой инерции преобра- )
зователь с пластинчатым каркасом и металли- (
ческими вкладышами лучше, чем преобразо-
ватель с крестовидным каркасом, поскольку (
последний образует в металлической трубке i
воздушные мешки, плохо проводящие тепло, f
Однако крестовидные каркасы имеют то пре- f
имущество, что платина соприкасается с карка- |
сом лишь в нескольких точках и не подвер- (
гается каким-либо деформациям (например )
натяжению), в то время как в случае пластин- •
чатого каркаса вся проволока соприкасается j
с каркасом и деформируется вместе с ним. б
Алюминиевая трубка с намоткой помещает- J
ся в защитную арматуру (фиг. 34-2), состоя-
щую из трубы 5 с вварным дном, штуцерной
гайки 6 и алюминиевой головки 7, внутри кото- f
рой помещается бакелитовая розетка 8 с зажи- I
мами. Алюминиевая головка закрыта крыш- j
кой 9. Провода в измерительную цепь проходят 1
через гайку 10.
Труба 5 изготовляется из углеродистой или |!
нержавеющей стали, в зависимости от хими- J
ческих свойств среды, температура которой из- f
меряется. 1
Намотка преобразователя выполнена из f
платиновой проволоки диаметром 0,07 мм. I
Минимальная глубина погружения этих пре-
образователей в среду, температура которой
измеряется, равна 150 мм; максимальная глу-
бина погружения — 1 900 мм.
Инерция * описанных платиновых преобра-
зователей термометров сопротивления дости-
гает 5—7 минут, что является их недостатком.
Вторым недостатком их является малая устой-
чивость против вибраций и ударов.
На фиг. 34-4 показан так называемый опрес-
сованный преобразователь термометра сопро-
тивления. Пакет 1 из слюдяной пластинки
с платиновой намоткой и двумя изолирующи-
ми слюдяными пластинами помещают в тон-
костенный плоский металлический чехол 2,
который затем опрессовывается под гидравли-
ческим прессом до плотного облегания слюдя-
ного пакета. Подобная конструкция обеспечи-
В
Разрез по Аб
2
3
Фиг. 34-3. Лепестко-
вый преобразователь
платинового термо-
метра сопротивления
Ниже
описание новых типов
приводится
преобразователей термометров сопротивления,
обладающих малой инерцией и другими лучши-
ми показателями, разработанных под руковод-
ством Д. Л. Оршанского [Л. 58].
На фиг. 34-3 показано устройство лепестко-
вого преобразователя термометра сопротивле-
ния. Между пакетом 1 с платиновой намоткой,
выполненным так же, как и в описанном выше
преобразователе, и защитной трубой 2 помеще-
ны два пружинящих лепестка 3 из тонкого
дюралюминия. Эти лепестки создают хороший
тепловой контакт между оболочкой и пакетом
и обладают малой теплоемкостью, что позво-
ляет уменьшить инерцию этих преобразовате-
лей примерно до 1 минуты. Внутри лепестков
помещен теплоизолятор 4; соединение лепест-
ков с пакетом осуществлено трубчатой заклеп-
кой 5.
* Под инерцией в данном случае понимается время,
в течение которого температура термометра при резком
переносе из среды с комнатной температурой в среду
с температурой, равной 100° С, достигает 97 — 98° С.
Подробнее об инерции см. § 34-10.
вает малую инерцию и достаточную устойчи-
вость к вибрациям.
Опрессованный пакет закрепляется во втул-
ке. Серебряные выводы 4 проходят черед
изолятор 5. Для защиты от механических воз-
действий опрессованный пакет закрывают пер-
форированным чехлом, который крепится
к втулке 3.
Инерционность подобного преобразователя
0,5 мин.
Если необходимо использовать защитную
трубу, то между опрессованным пакетом и тру-
бой можно поместить лепестки, как в лепе-
стковом преобразователе. Тогда будем иметь
опрессованный лепестковый преобразователь
термометра сопротивления.
На фиг. 34-5 показан остеклованный (гер-
метизированный) преобразователь термометра
сопротивления, в котором платина заделана
в стекле.
На каркас в виде стеклянной палочки или
трубки бифилярно навита платиновая проволо-
ка диаметром от 0,03 до 0,07 мм и витки за-
креплены, например, путем посыпки стеклян-
ным порошком и последующего обжига в му-
фельной печи. После подгонки сопротивления
обмотки на каркас надевается с минимальным
зазором тонкостенная стеклянная трубка и
сплавляется в пламени горелки.
Подобный остеклованный элемент 1 обер-
нут тонкой гофрированной пружинящей медной
фольгой 2, хорошо проводящей тепло. Оберну-
тый фольгой, остеклованный элемент вставлен
в тонкостенную разрезную (три продольных
разреза под углом 120°) пружинящую метал-
лическую трубку 3, на дне и вверху которой,
1 2
5 3
Фиг.
=41=
—----92-----.
34-4. Опрессованный преобразователь платино
вого термометра сопротивления.
йоа-а
2
для
ла,
предохранения стек-
помещены асбестовые
подушки 4 и 5. Трубка 3
обжата вокруг фарфоро-
вой двухканальной труб-
ки 6.
Выводы выполнены также из платины и
проходят через фарфоровые бусы 7. Стекло
каркаса и тонкостенной трубки должно иметь
такой же
ключена в
Фиг. 34-5.
Остеклован-
ный (герме-
тизирован-
ный) преоб-
разователь
платинового
термометра
сопротивле-
ния
температурный коэффициент расши-
рения, какой имеет платина; в
противном случае преобразова-
тель может разрушиться при бы-
строй смене температуры.
Описанный остеклованный
элемент преобразователя поме-
щается в соответствующей защит-
ной арматуре.
Герметизированные (остекло-
ванные) преобразователи термо-
метров сопротивления вибро-
устойчивы и не боятся агрессив-
ной среды.
Медные преобразователи тер-
мометров сопротивления выпол-
нены из изолированной медной
проволоки, намотанной на каркас
из пластмассы; последний боль-
шей частью имеет бумажную изо-
ляцию.
Арматура подобных преобра-
зователей промышленного типа
для давления до 30 ат (фиг.
34-6,а) аналогична описанной
выше для платиновых термомет-
ров (не лепесткового типа). Ка-
тушка с медной проволокой за-
тонкостенную металлическую трубку
с запаянным дном. Выводы изолированы фар-
форовыми трубками и присоединены к зажи-
мам в головке арматуры. Защитная труба
снабжена приваренным к ней штуцером.
Глубина погружения преобразователя для
различных типов термометров колеблется от
Погружаемая часть защитной
0,15 до 1,3 м.
трубы выполняется из угле-
родистой или нержавеющей
стали; остальная часть тру-
бы—из углеродистой стали.
Арматура медных преоб-
разователей, применяемых в
приборах для измерения тем-
пературы различных поме-
щений, весьма разнообраз-
на. В качестве примера на
фиг. 34-6,6 показан один из
преобразователей медных
термометров сопротивления. Катушка с мед- )
ной проволокой, намотанной на каркас, поме- i
щается в тонкостенной металлической трубке.
Последняя, в целях защиты теплочувствитель- j
б)
ного
Фиг. 34-6. Преобразователи медных
термометров сопротивления
элемента от механических повреждений.
а также от лучистой теплоты, заключена в по-
лированный перфорированный экран.
Ввод соединительных проводов, корпус и
крышка из пластмассы снабжены уплотнением,
обеспечивающим влагонепроницаемость.
§ 34-3. Измерительные цепи термометров
сопротивления. Температурная погрешность
В термометрах сопротивления может быть
использована любая цепь, предназначенная для
измерения сопротивления.
Наибольшее распространение получила цепь
неуравновешенного одинарного моста с магни-
тоэлектрическим логометром в качестве изме-
рителя, а также цепь автоматического одинар-
ного моста.
На фиг. 34-7 приведена цепь неуравнове-
шенного моста с логометром в качестве изме-
рителя (7?Г1 и Rr2—рамки логометра). Три плеча
моста составляют манганиновые сопротивления
./?], /?2 и R3. Четвертое плечо моста состоит
из преобразователя термометра сопротивления
RT, уравнительной (подгоночной) катушки Ry>
сопротивления R и сопротивления Ro. Назна-
чение последних трех сопротивлений следую-
щее: катушка Ro служит для подгонки нулевой
точки шкалы (для уравновешивания моста при
начальной температуре термометра). Катушка
R дополняет сопротивление проводов, соеди-
няющих термометр с измерительной цепью,
до значения, принятого при градуировке термо-
метра и равного (для описываемых термомет-
ров) 5 ом. При монтаже термометра необхо-
димо отмотать от катушки R столько про-
волоки, чтобы общее сопротивление катушки
Ry и проводов до преобразователя было равно
5 ом.
Для осуществления подгонки катушки Ry
'Служит катушка Ra, сопротивление которой
равно значению сопротивления преобразователя,
соответствующего определенной отметке на
шкале прибора. Замкнув накоротко преобразо-
ватель термометра RT и включив Rg, необхо-
димо отматывать проволоку с катушки Ry до
тех пор, пока стрелка измерителя не станет
на определенную отметку шкалы. После этого
сопротивление Rg закорачивается (как это по-
казано на фиг. 34-7) и в дальнейшей работе
термометра не участвует.
Часть сопротивления R5 выполняется из
меди, что позволяет компенсировать темпера-
турную погрешность логометра.
Автоматические мосты, применяемые в тер-
мометрах сопротивления, описаны в § 24-3. При
каждом изменении температуры начинает дей-
ствовать кинематическое устройство, переме-
щающее движок реохорда до наступления рав-
новесия моста. Таким образом, каждому
значению измеряемой температуры отвечает
определенное положение движка реохорда.
Шкала последнего градуируется в градусах
температуры.
Основной погрешностью термометров сопро-
тивления является погрешность, обусловленная
изменением сопротивления линии вследствие
колебаний температуры окружающего воздуха.
Дело в том, что сопротивление линии при боль-
ших расстояниях (до нескольких сот метров)
от преобразователя термометра до измеритель-
ного пульта может достигать 5 ом, тогда как
начальное сопротивление преобразователей
термометров составляет 46 ом (либо 100 ом).
Фиг. 34-7. Схема'измерительной
цепи неуравновешенного моста
с логометром в качестве изме-
рителя
Допустим, что уравнительная катушка по-
догнана при температуре и что температура
линии изменилась до значения t2. Тогда сопро-
тивление линии при соответствующих темпера-
турах будет равно (см. § 5-6):
rcu + h
Г 2 = Г о-~,
тСи
где г0 — сопротивление линии (без уравнитель-
ной катушки) при ;0 = 0°С.
Колебание сопротивления линии от темпе-
ратуры будет равно:
ДГ = Г1_Г2=^-(Т +^-тСи-^) =
Погрешность в показаниях температуры,
отсчитанной с помощью термометра сопротив-
ления, равна:
л, Дг
где &R— изменение сопротивления преобразо-
вателя термометра, отнесенное к 1°С. Оче-
видно, что
&R — RQa,
где Ro— сопротивление термометра при 0°С.
Окончательно имеем:
Л‘=г-т^г^- <34'3)
многопроводные цепи
Фиг. 34-8. Схема измери-
тельной цепи термометра
сопротивления с трехпро-
водной линией связи.
тель выражения для
Для уменьшения погрешности от колебаний
температуры линии применяют так называемые
связи, в которых к пре-
образователю сопро-
тивления подводится
больше двух проводов.
Измерительная цепь
с трехпроводной ли-
нией связи показана на
фиг. 34-8. 1Как видно из
фигуры, одна из вершин
диагонали питания пе-
ренесена непосредст-
венно к преобразова-
телю. Благодаря этому
сопротивление одного
из проводов суммирует-
ся с сопротивлением
плеча Ri, а сопротивле-
ние второго провода —
с плечом преобразова-
теля термометра Rr ,
вследствие чего числи-
тока в измерительной
диагонали (см. § 22-1) остается практически
неизменным при колебаниях сопротивления
проводов.
При работе измерительной цепи в равно-
весном режиме этот метод дает полную ком-
пенсацию погрешности от изменения сопротив-
ления линии. При работе же в неравновесном
режиме погрешность будет иметь место, но она
будет значительно меньшей, чем в случае двух-
проводной линии.
§ 34-4. Промышленные термоэлектрические
пирометры
Основными приборами для измерения тем-
ператур в пределах от 500 до 1 500° С являются
термоэлектрические пирометры, теория которых
изложена в § 14-1—14-3. Основные материалы,
применяемые для термопар, и их характери-
стики приведены там же.
Термопары из благородных металлов. Эти
термопары, принадлежащие к платиновой груп-
пе, имеют широкое распространение, в основ-
ном, как образцовые термопары и как термо-
пары для измерения температур свыше
1 000° С.
Основной термопарой этой группы является
термопара платинородий •— платина, один тер-
моэлектрод которой представляет собой чистую
платину, а второй — сплав 90% Pt 10 % Rh.
Эта термопара может применяться для изме-
рения температур до 1 600° С кратковременно
и до 1 4009 С длительно. При температурах
выше 1 400° С электроды поглощают как метал-
лы, так и другие элементы, вследствие чего
изменяются термоэлектрические характеристи-
ки термопары. Термопара PtRh — Pt развивает
при 1 600° С т. э. д. с., равную 17 мв (при тем-
пературе свободных концов, равной нулю).
Достоинством этой термопары является ее хи-
мическая стойкость в окислительной среде,
восстановительная же среда отравляет термо-
пару.
При условии достаточной чистоты платины
(удельное сопротивление должно быть не выше
0,106 ом мм2/м) термоэлектрическая характе-
ристика платинородий-платиновой термопары
весьма устойчива и воспроизводима. В стан-
дартной градуировке этой термопары (гр.
308-Н) дается значение для температур через
каждый градус, с точностью до тысячных долей
милливольта.
Термопары из неблагородных материалов.
Из числа термопар этой группы стандартными
являются четыре термопары, основные харак-
теристики которых указаны в табл. 34-1.
Таблица 34-1
Наименование термопары Т. э. д, с. При t = 1С0° С, fo«= 0° С. мв Верхний предел измеряе- мой температуры, °C
при длитель- ном примене- нии при кратко- временном применении
Медь — копель 4,75 350 500
Железо — копель 5,75 600 800
Хромель — копель 6,90 6С0 800
Хромель—алюмель 4,10 1100 1250
Состав сплавов копель, хромель и алюмель
приведен в § 14-2. Термоэлектрические харак-
теристики двух наиболее распространенных
термопар изображены на фиг. 34-9. Градуиро-
вочные таблицы для стандартных термопар
даются с точностью до сотых долей милли-
вольта.
Особенно широкое распространение полу-
чила термопара хромель — алюмель. Эта тер-
мопара хорошо работает в окислительной сре-
де благодаря возникновению при нагреве тон-
кой защитной пленки окислов, препятствующей
проникновению кислорода внутрь металла.
Восстановительная среда, напротив, вредно
действует на эту термопару, разрушая пленку
окислов.
Термопара хромель — копель химически
стойка в окислительной и несколько менее
в восстановительной средах (в пределах тем-
Фиг. 34-9. Термоэлектрические харак-
теристики термопар хромель — ко-
пель и хромель — алюмель
ператур до600°С). Следует особо отметить вы-
сокую т. э. д. с., развиваемую термопарой хро-
мель — копель.
Термопары железо — копель и медь — ко-
пель не получили распространения, ввиду от-
сутствия у них каких-либо существенных пре-
имуществ по сравнению с термопарой хро-
мель — копель.
Кроме описанных стандартных термопар,
некоторое распространение имеет и ряд нестан-
дартных термопар. К ним прежде всего необхо-
димо отнести термопары на константановой
основе: медь — константан, железо — констан-
тан и нихром — константан. Константан, как
сплав высокого сопротивления, появился значи-
тельно раньше, чем копель. Во всех упомяну-
тых термопарах копель заменил константан
лишь сравнительно недавно, благодаря тому,
что он является более отрицательным относи-
тельно платины термоэлектродом, чем констан-
тановый (см. § 14-2). Если не считать несколь-
ко меньшей т. э. д. с., которую эти термопары
развивают по отношению к соответствующим
термопарам с копелевым термоэлектродом, то
во всем остальном (предел применения, влия-
ние среды) термопары с копелевым и с кон-
стантановым терьюэлектродами одинаковы.
Помимо перечисленных термопар, суще-
ствует ряд других, не нашедших себе пока ши-
рокого применения. Из них наибольший инте-
рес представляют термопары из вольфрама,
молибдена и их сплавов (при условии эффек-
тивной защиты их от окисления), а также тер-
мопара уголь — карбид кремния (карборунд),
применяемая до 1 800° С и развивающая при
этой температуре т. э. д. с., равную примерно
500 мв.
Получение стандартной градуировки термо-
пар с установленной точностью возможно
лишь при высокой воспроизводимости физиче-
ских свойств термоэлектродных материалов.
Однако технология изготовления термоэлек-
тродных материалов может обеспечить ста-
бильность физических свойств только в отно-
шении благородных металлов; что же касается
сплавов из неблагородных металлов, то необхо-
димой воспроизводимости в отношении т. э. д. с.
достигнуть не удается. Поэтому для получения
термопар с требуемыми допусками по т. э. д. с.
применяется испытание термоэлектродных ма-
териалов (каждой бухты) с последующей раз-
бивкой их на несколько классов (обычно на
четыре), отличающихся по величине т. э. д. с.
с платиной. Разбитые на классы термоэлек-
тродные материалы должны комплектоваться
в термопары таким образом, чтобы алгебраи-
ческая разность т. э. д. с., развиваемых каж-
дым из термоэлектродов с платиной, была рав-
на (в пределах допуска) т. э. д. с. установлен-
ной градуировки.
Удлинительные термоэлектроды. В §' 14-3
было рассмотрено назначение удлинительных
термоэлектродов и требование термоидентич-
ности, которому они должны удовлетворять.
Для термопар из неблагородных металлов
удлинительные термоэлектроды часто выпол-
няются из тех же материалов, что и термоэлек-
троды в виде гибких проводов с изоляцией,
определяемой условиями монтажа. Для сухих
помещений применяются провода сечением до
2,5 мм2, изолированные вулканизированной ре-
зиной, в общей оплетке из хлопчатобумажной
пряжи, пропитанной асфальтовым лаком. В сы-
рых помещениях применяют провода с допол-
нительным покрытием свинцовой оболочкой.
Для термопар из благородных металлов
удлинительные термоэлектроды выполняются
из неблагородных металлов и их сплавов,
удовлетворяющих условию термоидентичности.
Для термопары платинородий — платина
применяются удлинительные термоэлектроды.-
медь и сплав ТП, образующие термопару, тер-
моидентичную платинородий-платиновой тер-
мопаре в пределах до 150° С. Для термопары
хромель — алюмель удлинительными провода-
ми служат медь — константан. Для термопары
хромель — копель удлинительными проводами
являются те же термоэлектроды.
§ 34-5. Конструкции термопар
В настоящем параграфе речь идет о про-
мышленных типах термопар для измерения
Н--------110--------Н
Фиг. 34-10. Конструкция термопары из неблагородных термоэлектродов
температуры в печах, соляных ваннах, газохо-
дах и т. д. Лабораторные термопары, применяе-
мые при исследовательских работах, обычно
представляют собой два термоэлектрода, изо-
лированных друг от друга и обмотанных об-
щей изоляцией, или помещенных в фарфоро-
вую трубку.
Основным вопросом при конструировании I
термопар промышленного типа является выбор \
материала защитной трубы (арматуры) и изо- j
ляции. Защитная арматура термопар должна I
оградить термопару от воздействия горячих, *
химически агрессивных газов, быстро разру- ?
шающих термопару. Поэтому арматура термо- 1
пары должна быть газонепроницаемой, хорошо (
проводящей тепло, механически стойкой и жа- J
роупорной. Кроме того, она не должна при на- i
гревании выделять газов или паров, вредных |
для термоэлектродов. »
Для температур, не превышаю- I
щих 600° С, обычно применяют |
стальные трубы без шва; для бо- j
лее высоких температур (до £
1100° С) — защитные трубы из J
легированных сталей. * )
Для благородных термопар i
применяют часто неметаллические ।
трубы (кварцевые, фарфоровые и j
т. д.), однако они механически j
непрочны и дороги. Фарфоровые |
трубы надлежащего состава мож- )
но использовать до 1300—1400° С. i
Применяя защитные трубы из 1
карбида кремния и графита, еле- I
дует учитывать, что при нагрева- )
.нии они выделяют восстанавли- j
вающие газы; поэтому помещае- |
мые в них термопары (особенно I
термопары на платиновой основе) I
должны быть защищены допол- j
нительным газонепроницаемым t
чехлом. j
Для измерения высоких тем- I
ператур в топках и других подоб- |
ных установках применяют иног- J
да защитные металлические тру- I
бы с охлаждением проточной во- J
дой. 1
В качестве изоляции термо- \
электродов друг от друга приме- {
няют: асбест — до 300° С, квар- j
цевые трубки или бусы — до £
1 000° С, фарфоровые трубки или »
бусы —до 1 300—1 400° С. ।
Для лабораторных термопар, ?
применяемых при измерении низ- i
ких температур, используют также: теплостой- j
кую резину — до 150° С, шелк — до 100— )
120° С и эмаль — до 150—200° С. i
* С целью уменьшения стоимости защитных труб I
их часто выполняют составными (сварными) из двух s
частей: рабочий участок трубы —из нержавеющей стали, I
а нерабочий — из обычной стали (чаще всего Ст. 20). I
На фиг. 34-10 изображена термопара из
неблагородных термоэлектродов в составной
защитной трубе с подвижным фланцем для
ее крепления. Рабочий конец 1 термопары изо-
лирован от арматуры фарфоровым наконечни-
Фиг. 34-11. Конструкция
малоинерционной термопары
для высоких давлений
ком 2. Термоэлектроды изолированы бусами 3.
Защитная труба состоит из рабочего участка 4
и нерабочего 5. Передвижной фланец 6 кре-
пится к трубе винтом.
Головка термопары имеет литой корпус 7
с крышкой 8, закрепленной винтами 9. В го-
ловке укреплены фарфоровые колодки 10 (вин-
тами 11) с плавающим * зажимом 12. Термо-
электроды крепятся к этим зажимам винтами
13, а соединительные провода — винтами 14.
* Плавающие (не закрепленные) зажимы позволяют
термоэлектродам удлиняться под воздействием темпе-
ратуры без возникновения механических напряжений,
ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов.
Эти провода проходят через штуцер 15 с асбе-
стовым уплотнением 16.
Инерционность (см. примечание к стр. 213)
подобных термопар порядка 5—8 минут.
На фиг. 34-14 изображено устройство мало-
инерционной термопары (хромель — копель
или хромель — алюмель), предназначенной для
измерения температуры пара и воды под высо-
ким давлением (до 250 кГ/см2) и в условиях
высокой скорости протекания измеряемой сре-
ды по трубопроводу. Для большей механиче-
ской прочности погружаемая часть защитной
трубы выполнена в виде тела равного сопро-
тивления, закрепленного в одной точке.
Для уменьшения тепловой инерции рабочий
конец термопары касается дна гладкого нако-
нечника к, сваренного с защитной трубой. Тер-
мопара снабжена штуцером, сваренным с тру-
бой, идущей к головке.
К термопарам' с уменьшенной инерцией сле-
дует отнести также термопары типа, изобра-
женного на фиг. 34-10, но в которых рабочий
конец вварен в дно трубы. Инерция этих тер-
мопар не превышает 2—3 минут, однако по-
добные термопары быстрее выходят из строя,
чем обычные.
На фиг. 34-12 показана конструкция плати-
нородий-платиновой термопары с передвиж-
ным фланцем для крепления. Один из термо-
электродов с целью изоляции от другого по-
мещен в фарфоровой трубке 1. Вся термопара
Фиг. 34-13. Термопара пирометра для измерения температуры
стали в разливочных ковшах
помещена в фарфоровую защитную трубу 2.
Нерабочая часть термопары дополнительно
защищена стальной трубой 3.
Термопары для измерения температуры
жидкой стали. Измерение температуры жидкой
стали производится обычно оптическим пиро-
метром. Необходимость введения поправки на
неполноту излучения (см. §' 35-3), что не мо-
жет быть выполнено с достаточной точностью,
заставляет искать других методов измерения
температуры.
Достаточно точными приборами для изме-
рения температуры! расплавленной стали могут
явиться термоэлектрические пирометры при
условии использования термопар, способных
сохранить термоэлектрическую характеристику
при температуре порядка 1 700° С и при нали-
чии агрессивных газов в испытуемой среде.
Наиболее пригодной для измерения темпе-
ратуры жидкой стали является термопара пла-
тинородий — платина при условии, что изме-
рение производится кратковременно (в преде-
лах 1 мин.), что требует непосредственного,
теплового контакта между рабочим концом
термопары и сталью, и при условии надежной,
защиты рабочего конца термопары от воздей-
ствия агрессивных газов.
Задачу разработки подобных тер-
мопар выполнил А. К. Маклашин
[Л. 48], осуществивший три типа пла-
тинородий-платиновых термопар: 1) для
измерения температуры расплавленной
стали и чугуна в разливочных ковшах,
2) для измерения температуры рас-
плавленной стали в ванне мартенов-
ской печи и 3) для измерения темпе-
ратуры расплавленной стали в тиглях
индукционных печей.
Особенностью термопар А. К. Мак-
лашина является двойная защита ра-
бочего конца платинородий-платиновой.
термопары молибденовым и кварцевым
наконечником.
На фиг. 34-13 показан разрез тер-
мопары пирометра для • измерения
температуры стали в разливочных ков-
шах. Рабочий конец термоэлектродов 1
впрессован в дно молибденового на-
конечника 2. Для изоляции термоэлек-
тродов относительно молибденового»
наконечника и друг относительно дру-
га, молибденовый наконечник наби-
вается глиноземом (А12О3) 3, предва-
рительно прокаленным при температу-
ре, равной 1 700° С. На наконечник 2
надевается кварцевый наконечник 4,
защищающий молибденовый наконечник от
соприкосновения с расплавленной сталью.
Кварцевый наконечник должен быть сменен
после каждого погружения термопары в рас-
плавленную сталь; трещины в кварцевом нако-
нечнике вызывают проникновение стали к мо-
либденовому наконечнику, 'вследствие чего
последний может быть приведен в негодность.
Верхний конец молибденового наконечника
заключен в стальную втулку 5, соединенную
сваркой со стальным наконечником 6 защит-
ной трубы. Для защиты стального наконечни-
ка 6 от соприкосновения с жидкой сталью ж
шлаком использован графитовый цилиндр 8,
навинчивающийся на штуцер 9 трубы 10. Гра-
фитовый цилиндр, изготовленный из графита
с малым содержанием золы (не более 0,4%) ж
тщательно просушенный (при температуре-
150° С в течение 70 часов), выдерживает 50—
70 погружений в расплавленную сталь, после
чего должен быть заменен новым.
Термоэлектроды заключены в двухканаль-
ную фарфоровую трубку 7. Вертикальное коле-
но термопары заканчивается головкой 11, в ко-
торой размещены зажимы для присоединения
термопары и удлинительных проводов. Гори-
зонтальное колено термопары заканчивается
деревянонй рукояткой. Цифрой 12 обо-
значена набивка из глинозема, герме-
тизирующая внутреннюю полость гра-
фитового цилиндра.
При надлежащей эксплуатации тер-
мопары молибденовый наконечник вы-
держивает не менее 100 погружений.
Инерционность термопары порядка
25—30 секунд.
Термопара пирометра для измере-
ния температуры стали в ванне мар-
теновской печи емкостью 40—80 т
(фиг. 34-14) отличается от описанной
выше термопары лишь иной конструк-
цией своей горизонтальной части, ко-
торая на длине 2 м состоит из двух
стальных труб 9 и 10, вставленных
одна в другую и изолированных друг
от друга асбестовым шнуром 11. Го-
ловка 12 заполнена уплотнительной
теплоизоляционной массой 13 глинозе-
ма. * Подобная конструкция создает
значительную инерцию нагрева голов-
ки и той части горизонтального колена
термопары, которая находится при из-
мерении в рабочем пространстве мар-
теновской печи. Практически головка
и горизонтальное колено термопары не
нагре-
ваютря выше 700—800° С. Соединение термо-
электродов с удлинительными проводами про-
исходит в конце двухметрового участка гори-
зонтального колена термопары.
Измерение температуры в ванне мартенов-
ской печи производится при погашенной фор-
сунке, во избежание повреждения термопары
факелом пламени.
§ 34-6. Термостатирование свободных
концов термопары. Автоматическое
введение
Если
введение
поправки на температуру свободных
концов
не предусмотрено автоматическое
поправки на температуру свободных
* Остальные обозначения на фиг. 34-13 соответ-
ствуют таковым на фиг. 34-12.
концов, то для облегчения введения этой по-
правки во время эксплуатации термоэлектри-
ческого пирометра крайне желательно стаби-
лизировать температуру свободных концов.
В этом случае поправка мало или совсем не
изменяется во времени.
Простейшим устройством, применяемым
для стабилизации температуры свободных
концов, является массивная коробка с тепло-
2000
2000
9
8-
1
!3
12
Сварка
СВарка
Фиг.
РаВочии конец
rnepimnapbi
Электро-
сварка
34-14. Термопара пирометра для измерения температуры
стали в ванне мартеновской печц.
ВОЙ
ром
них
ной
изоляцией, снабженная ртутным термомет-
и двумя штуцерами для ввода удлинитель-
и медных проводов. Обладая значитель-
тепловой инерцией, коробка достаточно
медленно реагирует на изменение внешней
температуры.
В некоторых случаях, для стабилизации
температуры свободных концов, их помещают
в глубокие слои почвы (на глубину нескольких
метров), температура которых мало меняется
в течение года. Для этого заколачивают на не-
обходимую длину стальную трубу, помещают
в нее свободные концы и засыпают
песком.
Наиболее радикальным средством
зации температуры свободных концов
автоматическое термостатирование с
ческим подогревом. На фиг. 34-15
ее сухим
стабили-
является
электри-
показан
внешний вид и схема подобного устройства.
Температура в термостате поддерживается по-
стоянкой с помощью биметаллического термо-
регулятора 5, включающего и выключающего
шунт к нагревательной спирали 4. Термостат
снабжен ртутным термометром 1 и штуцера-
ми 2 и 3 для ввода удлинительных или медных
проводов. Температура, поддерживаемая в по-
добном’термостате, должна быть, естественно,
выше, чем максимально возможная темпера-
Фиг. 34-15. Автоматический термостат
с электрическим подогревом свобод-
ных концов
тура окружающей среды (обычно она выби-
рается равной 50° С). Точность регулирования
температуры подобными термостатами равна
1—1,5° С.
В лабораторных условиях часто прибегают
к термостатированию свободных концов в ван-
не со льдом, т. е. при температуре 0° С.
В качестве примера автоматического вве-
дения поправки на температуру свободных кон-
цов на фиг. 34-16 показана схема устройства
Фиг. 34-16. Схема устройства
типа КТ-08 для автоматиче-
ского введения поправки на
температуру свободных кон-
цов
типа КТ-08. Термопара и милливольтметр
включены в измерительную диагональ одинар-
ного моста, одним из плеч которого является
сопротивление R из, медной или никелевой про-
волоки, помещенное возле свободных концов
термопары (остальные плечи моста выполнены
из .манганиновой проволоки). Питание моста
осуществляется от аккумуляторной или сухой
батареи на 4 .в.
При температуре градуировки мост нахо-
дится в равновесии и напряжение на измери-
тельной диагонали равно нулю. При повыше-
нии температуры свободных концов значение R
также увеличивается, мост выходит из равно-
весия и возникшее напряжение на измеритель-
ной диагонали компенсирует уменьшение
т. э. д. с. термопары.
Точность компенсации погрешности в мил-
ливольтах, обусловленной изменением темпе-
ратуры свободных концов, при помощи описы-
ваемого устройства достигает 0,04 мв на
10° С.
Недостатком подобных устройств является
необходимость в дополнительном источнике
тока (для питания моста).
§ 34-7. Погрешность, обусловленная
тепловыми потерями преобразователей
термометров сопротивления
и термоэлектрических пирометров
Термометр сопротивления и термоэлектри-
ческий пирометр, по существу, измеряют тем-
пературу теплочувствительного (рабочего) эле-
мента своих преобразователей, помещенных
в газовую или жидкую среду. Температура
эта может в некоторых случаях сильно отли-
чаться от измеряемой температуры среды. Кро-
ме того, необходимо иметь в виду, что внесе-
ние преобразователя в среду изменяет само-
температурное поле среды, что также мо-
жет явиться источником погрешности изме-
рения.
Ниже рассмотрены условия теплообмена
между теплочувствительным элементом преоб-
разователя и измеряемой средой, а также пра-
вила монтажа и эксплуатации термопар й пре-
образователей термометров сопротивления и
специальные конструкции термопар, обеспечи-
вающие наибольшую точность измерения
(наименьшие потери).
При изменении температуры среды преоб-
разователь, точнее температура его теплочув-
ствительного элемента, не будет следовать за-
кону изменения температуры среды вследствие-
тепловой инерции преобразователя.
На фиг. 34-17 схематически изображен
теплочувствительный элемент 1 преобразовате-
ля, окруженный защитным чехлом 2 и защит-
ной жароупорной трубой 3. Положим, что по-
ток тепла q омывает преобразователь в на-
правлении, указанном стрелками. Так~как кон-
струкции преобразователей, как правило, обес-
печивают хороший тепловой контакт между
теплочувствительным элементом и защитными
частями 2 и 3, то основная потеря тепла про-
исходит с защитной трубы 3 как за счет лучи-
стого теплообмена ее с окружающими трубу
стенками, так и за счет ее теплопроводности.
Поэтому рассмотрение вопроса о тепловом
равновесии преобразователя и среды мы огра-
ничим изучением теплообмена между трубой 3
и средой, полагая, что перепада температуры
между трубой 3 и теплочувствительным эле-
Фиг. 34-17. Схематическое
изображение отдельных ча-
стей преобразователя термо-
метра, погруженного в среду,
температура которой изме-
ряется
Фиг. 34-18. Упрощен-
ное изображение пре-
образователя термо-
метра, погруженного
в среду, температура
которой измеряется
ментом 1 не существует. Такое предположение
значительно упростит разрешение поставлен-
ной задачи.
Таким образом, преобразователь, погру-
женный в испытуемую среду, можно предста-
вить так, как это изображено на фиг. 34-18.
Обозначим измеряемую температуру через t,
температуру трубы преобразователя через tn,
температуру внутренних стенок, окружающих
трубу и ограничивающих объем испытуемой
среды, через tcrK, а температуру головки трубы
через t0-
При установившейся
температуре t можно при-
нять, что тепло, получае-
мое трубой путем конвек-
ции, уравновешивается
потерями тепла трубой
через ее теплопроводность
и путем лучистого тепло-
обмена со стенками, огра-
ничивающими объем из-
меряемой среды.
Погрешность, обуслов-
ленная потерями тепла
путем лучистого тепло-
обмена преобразователя с
окружающими телами.
Особенно значительные потери тепла, а следо-
вательно, и погрешности измерения могут воз-
никнуть в результате лучистого теплообмена
трубы преобразователя с окружающими те-
лами.
Тепло Qi, получаемое трубой от испытуе-
мой среды, выражается уравнением:
= (34-4)
где $ — коэффициент теплоотдачи;
F—поверхность трубы, равная F = Ttdl
(d — диаметр защитной трубы, а I —
глубина ее погружения в испытуемую
среду).'
Тепло Q2, теряемое трубой лучистым тепло-
обменом, выражается уравнением:
, (34-5)
где С — приведенный коэффициент излуче-
ния;
7)г и Тст — температуры трубы и стенок, выра-
женные в градусах абсолютной тем-
пературы; .
F] — поверхность излучения трубы.
Следует отметить, что поверхность излуче-
ния не всегда равна действительной поверх-
ности трубы F; при ребристой поверхности
трубы часть излучения поглощается соседними
ребрами. Поэтому Fi меньше, чем F; для глад-
ких поверхностей трубы, естественно, Fi = F
Переходя к значениям температур, выра-
женным в градусах международной темпера-
турной шкалы, уравнение (34-5) перепишем
в виде:
Q2 = - &F1 [(/„ + 273)4 - (tcm + 273)4. (34-6)
Значение коэффициента лучистого теплооб-
мена С должно быть возможно меньшим. Ве-
личина С зависит от коэффициентов луче-
испускания: Ci — поверхности трубы и С2 —
поверхности стенок, ограничивающих объем
испытуемой среды, а именно:
Q — ________L--------- ,
\ б?2 у
где Сч — коэффициент лучеиспускания абсо-
лютно черного тела;
F\ и F2—поверхности трубы и стенок.
Если, как это обычно имеет место, F2^>Р\,
то
С — С,,
т. е. коэффициент лучистого теплообмена ра-
вен коэффициенту лучеиспускания поверхности
трубы. Для уменьшения Ci следует иметь глад-
кую поверхность, по возможности полирован-
ную; кроме того, значение Ci зависит и от ма-
териала защитной трубы.
Ниже приводятся значения для некоторых
случаев (выраженные в ккал[м2 • час • град*) .
Легированные стали полированные Cj = 0,24-0,5 • 10~8
Алюминиевая жесть............. = 0,35-10—8
Листовая сталь никелированная,
матовая . ................ С; = 0,55• 10-8
Латунь матовая................ С1 = 1,Ы0-8
Олово, никель окисленные . . . С\:= 1,4-10~8
Сталь вальцованная............ ^^гЗ.г-Ю-8
Сталь, медь окисленные........ z= 3,54-4-10-8
Стремление иметь гладкую поверхность
приводит к FJF = 1. С другой стороны, выгод-
но иметь Fi/F возможно меньшей, что обеспе-
чивается ребристой поверхностью трубы.
В большинстве случаев применяются трубы
с гладкой поверхностью, так как ребристые
трубы засоряются.
Если пренебречь потерями через теплопро-
водность трубы, то уравнение теплового рав-
новесия трубы со средой будет иметь вид:
IF (t - tn) = CFi [(tn + 273)* - (U 4- 273)4,
(34-7)
откуда погрешность измерения, обусловленная
лучистым теплообменом, равна:
= - С J [(tn + 273)* - {tcm + 273)*].
(34-8)
Наибольшее влияние на величину погреш-
ности (tn —f), обусловленной лучеиспусканием,
имеют значения коэффициента теплопередачи $
и разности температур трубы tn и стенок tcm,
поскольку в уравнение (34-8) входит разность
четвертых степеней этих температур.
Значение коэффициента теплопередачи $
изменяется в весьма широких пределах, в за-
висимости от природы среды и скорости ёе
протекания, от формы и расположения трубы,
от измеряемой температуры и т. д.
Для, одной и той же среды значение В
можно изменять в весьма широких пределах,
воздействуя, например, на скорость v обтека-
ния трубы испытуемой средой. В § 5-3 была
подробно рассмотрена зависимость ?=/(ц).
Таким образом, увеличивая скорость обтекания
трубы испытуемой средой, можно значительно
уменьшить погрешность измерения темпера-
туры (tn — t).
Погрешность, обусловленная потерями
тепла через теплопроводность трубы пре-
образователя. Аналитическое решение этого
вопроса приводит к следующему выраже-1
нию [Л. 52]:
'"-г=--------гк'
“++в) I
где и—периметр трубы;
Л—коэффициент теплопроводности мате-;
риала трубы. ?
Из выражения (34-9) можно сделать вы- I
вод, что для уменьшения потерь через тепло- |
проводность трубы целесообразно применять {
трубу, выполненную из материала с малым 2, t
увеличивать глубину I погружения преобразо- |
вателя, уменьшать сечение 5 трубы до значе- I
ния, ограниченного соображениями ее механи- I
ческой прочности, применять тепловую изоля- )
цию в месте заделки преобразователя в трубу 5
для увеличения температуры t0, а также выпол- {
нять трубу с ребристой поверхностью. ]
Приведем несколько примеров, характери- j
зующих погрешности, обусловленные потерями f
тепла. 5
1. Для иллюстрации погрешности, обус- ?
ловленной потерями тепла, в табл. 34-2 |
[Л. 97] приводятся значения коэффициентов 5 t
и погрешности (tn— t), обусловленной поте- !
рями через теплопроводность и лучеиспуска- I-
ние при измерении в трубопроводе темпера- {
туры воздуха, равной 200° С, термометром ]
сопротивления. Цифры приведены для двух I
случаёв: для трубопровода без тепловой изо- f
ляции и с наружной тепловой изоляцией. В j
первом случае, естественно, температура ]
меньше, а потери на теплоизлучение
трубы больше, чем во втором случае.
Приведенные в табл. 34-2 цифры свиде-
тельствуют о значительном влиянии коэффи-
циента теплоотдачи £ на величину погрешности
измерения, а также дают представление !
о влиянии потерь на теплоизлучение трубы.
Таблица 34-2
Трубопровод без тепло- вой изоляции при ско- рости воздуха Трубопровод с те- пловой изолинией при скорости воздуха
5 м1сек 10 м{сек 30 м1сек 5 м{сек 10 м}сек 30 м/сек
5, ккал^м?'^ X час-граб tcm, °C . . tn-t, °C. 19 138 —47,1 32 157 —27,9 76 179 —8,6 18 183 —12,9 31 190 -6,5 74 195,6 —1,8
2. Для хграктеристики погрешности, обу-
словленной лучистым теплообменом трубы со
стенками, ограничивающими объем испытуе-
мой среды, приведем следующий пример.
Для измерения температуры в жаровой
трубе парового котла, отапливаемого отходя-
щими газами, применена термопара в защит-
ной трубе из окисленной стали; температура
стенок жаровой трубы tcm = 200° С; темпера-
тура, указываемая пирометром, ^ = 450° С.
Найдем действительную температуру газа,
если примем коэффициент лучеиспускания
защитной трубы С=т4,0- [0~'Л ккал! м2-час-грао4-
положим также, что коэффициент теплопере-
дачи ;-:_--25 ккал/м2- час -град.
Тогда
4 ~ / = - I [0„ + 273)4 _ {tcm + 273)4] =
_ _4-10-8(7234-4734) = _ 358оС_
25
Таким образом, действительная температура
газа будет равна:
t = tn + 358 = 450 + 358 = 808° С.
. Столь значительная погрешность получи-
лась, конечно, вследствие сочетания ряда не-
благоприятных факторов, в том числе вслед-
ствие применения защитной трубы из окислен-
ной стали.
Простым средством уменьшения потерь на
лучеиспускание является применение цилин-
дрического экрана, окружающего защитную
трубу преобразователя. Подобный экран снаб-
жен отверстиями для пропуска среды и омы-
вается ею как снаружи, так и со стороны своей
внутренней поверхности, вследствие чего тем-
пература экрана близка к температуре среды.
Труба термопары, таким образом, оказывается
в состоянии лучистого теплообмена лишь
с экраном, температура которого значительно
меньше отличается от температуры трубы, чем
температура стенок, окружающих объем испы-
туемой среды.
Для иллюстрации влияния экрана на
уменьшение погрешности приводим в табл. 34-3
[Л. 97] цифры, подсчитанные для тех же усло-
вий, которые были приняты при подсчете
цифр табл. 34-2.
Само собой разумеется, что при измерении
более высоких температур (табл. 34-3 отно-
сится к измерению температуры газа, равной
200° С) погрешности, обусловленные лучистым
теплообменом, будут гораздо больше, однако
из данных этой таблицы отчетливо виден зна-
чительный эффект уменьшения погрешности
(tn — t) при применении экрана.
3. Газ, протекающий в трубопроводе, имеет
температуру 250° С. Температура газа изме-
ряется термопарой или термометром сопро-
тивления в стальной защитной трубке с внеш-
ним диаметром d — 0,02 м и толщиной стенок
0,002 м. Глубина погружения защитной трубки I
в первом случае равна 0,3 м, а во втором
0,6 м. Температура защитной трубы у стенки
трубопровода /0=175°С. Коэффициенты £ =
— 30 ккал! м2-час-град и Я = 50 ккал/м • час X
X град.
Подсчитаем погрешность измерения, поль-
зуясь формулой (34-9):
при / = 0,3 м
3—175_______________
30-3,14-0,02
3 14
у— (0,622 _0,0162)J
Таблица 34-3
Трубопровод без теп- ловой изоляции при скорости воздуха Трубопровод с тепловой изоляцией при скорости воздуха
5 м!сек 10 м1сек 30 м{сек 5 м[сек 10 м}сек 30 м[сек
£, ккал1м'1-чт.с-град 19 32 76 18 31 74
Температура стенок трубы tcm, °C 138 157 179 183 190 195,6
Погрешность (/„—/), обусловленная лучеиспу- сканием в отсутствии экрана, °C —24,8 — 13,2 -3,6 —7,9 — 3,4 -0,8
Температура экрана t3K, °C 198,4 199,27 199,84 199,45 199,81 199,96
Погрешность (tn — t), обусловленная лучеиспу- сканием при наличии экрана, °C —0,7 -0,25 —0,08 —0,27 -0,07 —0,007
J5 А. м. Туричин.
при I = 0,6 м
250 — 175
cos h
0,6
30-3,14-0,02 I
50-3,14
----- (0,022-0,0162)
75 75
cos Л 10,9
14860
0,005°С.
§ 34-8. Монтаж термопар и преобразователей
термометров сопротивления
При монтаже в печах термопар и преобра-
зователей термометров сопротивления следует
принимать ряд мер предосторожности, чтобы
Фиг. 34-19. Монтаж преобразо-
вателей термометров в узких
трубопроводах
улучшить конвекционную теплоотдачу от сре-
ды, уменьшить отток тепла по защитной трубе
и чтобы защитить свободные концы термопары
от воздействия горячей среды, температура ко-
торой измеряется. Для этого необходимо:
1) преобразователь погрузить возможно
глубже в измеряемую среду;
2) преобразователь установить против на-
правления движения среды;
3) трубопровод в районе, измерения темпе-
ратуры тщательно теплоизолировать;
4) рабочий конец преобразователя устано-
вить в месте наибольшей скорости среды;
5) головку преобразователя защитить от
воздействия горячей среды, для чего следует
предусмотреть надлежащее уплотнение тепло-
изоляционным материалом места ввода преоб-
разователя.
С точки зрения этих требований, в узких
трубопроводах преобразователь надо распола-
гать так, как показано на фиг. 34-19, поз. а;
если труба имеет колено, то преобразователь
рекомендуется монтировать согласно поз. Ь\
наихудший монтаж иллюстрирует поз. с.
§ 34-9. Отсасывающие и обогревные ;
термопары
Одним из радикальных средств уменьше-
ния погрешности tn — z является сочетание
искусственно усиленной конвекции (увеличе-
ние и экранирования защитной трубы.
Если газ, температура которого измеряется,;
находится под давлением, то усиленную кон-’
векцию можно создать, например, следующим;
образом (фиг. 34-20). Защитная труба 1 тер-1
мопары окружена двойным экраном 2 и 3; из
верхней части экрана 3 отходит патрубок 4Г
снабженный вентилем 5. При открытии вен-
тиля газ протекает по зазорам, образованным.’
защитной трубой и экранами, со скоростью,
которая зависит от отверстий в экранах и от-
крытия вентиля.
Если же газ, температура которого изме-
ряется, находится под очень малым давлением,,
то для увеличения коэффициента теплопереда-
чи Е необходимо применить насос, искусствен-
но создающий необходимое разрежение для-
увеличения скорости обтекания термопары
газом. Пирометры с термопарами, снабженны-
ми насосом (например эжектором) и экраном,
носят название «отсасывающих» пирометров.
На фиг. 34-21 показан пример устройства'
термопары отсасывающего пирометра [Л. 76]J
Термопара 1 окружена экранирующей тру-'
бой 2, покрытой тепловой изоляцией. Отсос
газа осуществляется эжектором 3, к которому
газ поступает через холодильники 4 с патруб-^
ками 5 для поступления и отвода охлаждаю-
Фиг. 34-20. Термопара с
усиленной конвекцией
Отепление экранирующей трубки также спо-Е
собствует уменьшению потерь лучистым тепло-f
обменом. Следует отметить, однако, что при-
менение тепловой изоляции экрана увеличи-
вает тепловую инерцию пирометра. f
Хорошие результаты дает применение
экрана с ребристой внутренней поверхностью,!
а также заполнение пространства между тру-
бой и экраном мелкими (тонкими) трубочками
из огнеупорного материала. Оба мероприятия
позволяют разделить отсасываемый газ на мел-
кие струйки, что улучшает конвекционную теп-
лопередачу от среды к защитной трубке термо-
пары.
Скорость газа, создаваемая эжектором, до-
стигает 200 м/сек.
Полное устранение погрешности tn—t до-
стигается применением так называемых «обо-
гревных» термопар. В этих термопарах исполь-
зуется электрический подогрев экрана или не-
посредственно рабочего конца термопары та-
ким образом, чтобы выделяемое электрическим
током тепло полностью уравновешивало поте-
ри термопары, обусловленные лучеиспусканием
и оттоком тепла по защитной трубе.
Для регулирования тока, необходимого для
подогрева экрана, нужно иметь еще одну тер-
мопару, рабочий конец которой приварен к эк-
рану. Если основная термопара и термопара,
измеряющая температуру экрана, дают одина-
ковые показания, то это будет свидетельство-
вать об отсутствии потерь на лучеиспускание
у основной термопары.
Проще, как в случае подогрева экрана, так
и в случаё подогрева непосредственно рабоче-
го конца термопары, воспользоваться тем по-
ложением, что при отсутствии разности тем-
ператур между газовой средой и термопарой
показания последней не зависят от скорости
протекания газа. В этом случае необходимо,
очевидно, иметь маломощный насос, для того
чтобы при регулировке тока можно было изме-
нять скорость газа.
§ 34-10. Тепловая инерция преобразователей
термометров сопротивления и термоэлектри-
ческих пирометров при мгновенном (разовом)
изменении температуры среды
Любой процесс нагревания или охлажде-
ния тела можно разделить на три стадии:
1) стадию неупорядоченного (дорегулярно-
го) режима,
2) стадию регулярного режима,
3) стадию теплового равновесия. *
При нагревании (или охлаждении) тела
наступает такой момент, начиная с которого
изменение температуры тела во времени не за-
висит от начального распределения температур
в теле. Начиная с этого момента, и наступает
так называемый регулярный режим нагрева-
ния (или охлаждения). До этого момента
имеет место дорегулярный режим, зависящий
от начального распределения температур тела.
Первая стадия (дорегулярный режим) про-
текает практически весьма быстро, продолжи-
тельность этой стадии значительно меньше
продолжительности регулярного режима. Что
же касается стадии теплового равновесия, то
теоретически эта стадия наступает через бес-
конечное время, практически же через конеч-
ный достаточно большой промежуток времени.
Таким образом, основное время процесса на-
грева или охлаждения занимает регулярный
режим.
Разность 6 температур среды (fc) и пре-
образователя (1п), возникшая вследствие мгно-
венного изменения температуры среды, изме-
няется во времени по наступлении регуляр-
ного режима согласно уравнению:**
т
9 = tc-tn=Ke Т° , (34-10)
где т0— постоянная времени преобразователя
термометра, не зависящая ни от вре-
мени, ни от температуры среды, ни
от начального распределения темпе-
ратуры в преобразователе;
К—постоянная, зависящая от формы, раз-
меров и других свойств преобразова-
теля и среды.
Условия, при которых имеет место -регу-
лярный режим изменения температуры, сле-
дующие:
* Теория регулярного режима разработана Г. М.
Кондратьевым [Л. 37].
** Это выражение справедливо как для средней
объемной температуры тела (преобразователя), так «
для температуры любой-его точки.
1) температура tc среды остается неизмен-
ной во все время нагревания или охлаждения
преобразователя, т. е. tc — const;
2) условия теплообмена на границе преоб-
разователь—среда сохраняются неизменными
в течение всего времени нагрева или охлаж-
дения преобразователя, иначе говоря, коэффи-
циент теплоотдачи £ от среды к преобразова-
телю не зависит от времени: $ — const;
3) ни внутри преобразователя, ни на его
поверхности нет источников тепла;
4) конвекция внутри преобразователя через
жидкие или газообразные промежутки в нем
ничтожно мала и распространение тепла во
всех частях преобразователя происходит только
Путем теплопроводности.
Дифференцируя выражение (34-10), полу-
чаем:
~ = — -Ке '° = — -9,
ат г0 т0
ИЛИ
d9 =----- 6 dz.
Ч)
Решение этого уравнения для случая, когда
температура t среды постоянна, дает:
9 = 90е '° , (34-11)
где 90 — разовое, скачкообразное изменение
температуры.*
Экспериментальное определение постоян-
ной времени можно осуществить согласно
уравнению (34-10). Действительно, логарифми-
руя его, получаем:
In 9 = —J_x —|— In /С = —-т-ф-В,
го т0
где В = const.
Отсюда, определив 9f и 92 для двух мо-
ментов времени Т] и т2, можем получить:
Таким образом, наблюдая показания при-
бора через определенные промежутки времени
и построив график зависимости натурального
логарифма разности температур 9 в функции
от времени т, мы получим в области регуляр-
ного режима прямую линию; в области же до-
* Весь вывод действителен только для стадии ре-
гулярного режима, поэтому начальная температура
в интервал 9о соответствует возникновению регуляр-
ного режима.
1п8
Фиг. 34-22. График изм^
нения температуры пре
образователя во времен
регулярного режима, в начальном промежутке^
времени, — кривую линию. Типичный полуло!
гарифмический график изменения температу-
ры преобразователя во времени изображен на
фиг. 34-22. Постоянная времени т0 Преобразо-
вателя может быть найдена как котангенс
угла наклона прямого участка графика к ост
абсцисс.
Г. М. Кондратьев предложил измерять при
помощи дифференциальной термопары непо{
средственно разность температур среды и ка
кой-либо точки внутри
преобразователя, поме-
стив один рабочий ко-
нец в испытуемую сре-
ду, окружающую пре-
образователь, а второй
рабочий конец — внут-
ри преобразователя.
Тогда, принимая пря-
мую пропорциональ-
ность между отклоне-
нием милливольтметра
и измеряемой темпера-
турой (что действи-
тельно имеет место для
всех термоэлектрических приборов в интер
вале температур порядка нескольких граду
сов), мы имеем:
9_i_ 'ri I
®2 ’ »
где cpi и — отклонения милливольтметра
соответствующие изменениям разностей тем
пературы 9] и 92.
Следовательно, выражение (34-12) може
быть переписано так:
т — т^~т1
0 1п <Р1 — In tp..
Если положить т = т0, то уравнение (34-11
принимает вид:
9 = 90е-1 = О,439о.
Таким образом, согласно этому уравнении]:
постоянную времени преобразователя можн^
определить как промежуток времени от момец
та возникновения регулярного режима до мс|
мента, когда разность температур среды (
преобразователя достигнет 0,4 значения темпе
ратуры среды в начале регулярного режим!
Если время дорегулярного режима очень мал
по сравнению с временем регулярного режим!
то с достаточной для практических целей то^
ностью, постоянную времени преобразовател)
можно определить как время от момента изме
нения температуры среды, например, от мс
мента погружения преобразователя в среду, до
момента, когда разность температур среды и
преобразователя достигнет 0,4 полного изме-
нения температуры % .
В отношении точности определения значе-
ния т0 первому методу [выражение (34-12) ]
следует отдать безусловное предпочтение.
Относительная погрешность измерения тем-
пературы, обусловленная инерцией преобразо-
вателя, равна:
и может быть после определения т0 вычислена
для любого значения т.
Температура tn теплочувствительного эле-
мента преобразователя определяется, следо-
вательно, как
где tc— температура среды после мгновенного
скачка температуры 90.
Приведенные выражения показывают, что
теоретически температура преобразователя
достигнет температуры среды через бесконечно
большой промежуток времени т.
Практически, однако, считают, что t рав-
но tc, когда разность $ = tc— tn становится
меньше допустимой погрешности измерения ДЛ
Принимая 9 = Д^ и обозначая т для этого слу-
чая через t!, получим из уравнения (34-11):
T1==Toln^. (34-13)
Величина t] носит название времени уста-
новления показаний прибора с данным преоб-
разователем. Как видно из уравнения (34-13),
значение т, пропорционально постоянной вре-
мени т0.
Следует отметить, что в государственных
стандартах на технические термопары и тер-
мометры сопротивления оценка инерционности
осуществляется по времени, в течение которого
показания прибора /, при изменении темпера-
туры среды tc в определенных пределах не до-
ходят до температуры среды значительно боль-
ше, чем на величину погрешности прибора.
Так, например, проект ГОСТ на технические
термопары предусматривает характеристику
инерционности термопары временем, в течение
которого термопара, перенесенная из воды
комнатной температуры в кипящую воду, не
доходит до 100° С на 10% от полного интерва-
ла изменения температуры воды, т. е. пример-
но на 8° С. Это время не должно превышать
для термопар со средней инерционностью
8 минут, а для термопар малоинерционных —
1,5 минут.
Следует отметить, что мы рассмотрели
только инерционность преобразователя, пола-
гая, что инерционность всего прибора в целом
определяется именно инерционностью преобра-
зователя (тепловой инерцией), так как инер-
ционность остальных частей прибора пренебре-
жимо мала.
В заключение необходимо подчеркнуть, что
вопрос в целом о тепловой инерции рассмотрен
для стадии регулярного режима нагрева (или
охлаждения). В ряде случаев автоматического
регулирования температуры процесс колебаний
температуры происходит, в основном, в обла-
сти дорегулярного режима; для подобных слу-
чаев приведенные формулы не применимы и
аналитическое рассмотрение вопроса о тепло-
вой инерции крайне усложняется.
§ 34-11. Измерение температуры твердых тел
и поверхностей
Измерение температуры твердых тел. Основ-
ной особенностью измерения температуры твер-
дых и сыпучих тел является то обстоятельство,
что погрешность, обусловленная лучеиспуска-
нием преобразователя, отсутствует, так как
твердые и сыпучие тела непрозрачны. Вместе
с тем резко возрастает зависимость показаний
пирометра от потерь тепла через теплопровод-
ность преобразователя, так как в большинстве
случаев измерения температуры твердых тел
приходится иметь дело с плохо теплопроводны-
ми телами.
При измерении температуры сыпучих тел
(например при измерении температуры в зер-
нохранилищах, в почве и т. п.) уменьшение
потерь на теплопроводность легко дости-
гается глубоким погружением преобразова-
теля в толщу среды; обычно в этом случае
применяют термометр сопротивления с герме-
тически присоединенным кабелем.
При измерении температуры в телах малого
объема (например в тепловой изоляции, в сте-
нах и т. п.) с резко меняющейся температурой
обычно применяются термопары. При этом для
уменьшения потерь тепла через теплопровод-
ность термопары лучшим средством является
прокладка участка термопары в изотермиче-
ской поверхности с тем, чтобы отток тепла по
термопаре происходил на значительном рас-
стоянии от рабочего конца термопары, что
иллюстрируется фиг. 34-23.
Позиция а изображает распределение изо-
терм в сечении цилиндрического твердого тела
в отсутствии термопары. Позиция б показы-
вает положение изотерм при наличии термо-
пары, введенной в тело радиально (стрелки,
перпендикулярные к изотермам, показывают
направление теплового потока, вследствие ко-
торого температура в месте искажения изо-
Фиг. 34-23. Распределение изотерм темпера-
турного поля в твердом теле при различ-
ном расположении термопары
терм понижается); пирометр, следовательно,
измерит температуру, меньшую действитель-
ной. Позиция в иллюстрирует искажение изо-
терм при расположении участка термопары
в изотермической поверхности.
Как видно из фиг. 34-23, искажение изотерм
и уменьшение температуры имеют место в из-
гибе термопары, рабочий же конец термопары
будет иметь температуру, практически мало
отличающуюся от измеряемой температуры
тела.
Для иллюстрации погрешности, возникаю-
щей при радиальном вводе термопары, ука-
жем, что в одном из выполненных измерений
температура, измеренная при расположении
термопары, согласно фиг. 34-23,6, оказалась
равной 64,9° С, тогда как при расположении
термопары, согласно фиг. 34-23,в, пирометр
показал 116,3° С.
Зависимость погрешности от глубины по-
гружения при радиальном вводе термопары и
от теплопроводности тела хорошо иллюстри-
руется данными табл. 34-4. Все измерения про-
ведены при действительной температуре тела,
равной 70° С. Значения коэффициента тепло-
проводности Л даны в ккал/м • час • град.
Измерение температуры поверхностей. При
измерении температуры поверхности широко
используются термопары без защитной арма-
туры. Так же как и при измерении температу-
ры внутри твердого тела, основным вопросом
является уменьшение погрешности, обуслов-
Таблица 34-4
Глубина погру- жения, см Погрешность измерения, °C
пробка X « 0,04 дерево X = 0,15 ГИПС X- 1,0 железо X - 60
2 32,2 17,7 9,4 3,2
4 18,6 8,5 2,8 0,3
7 9,0 2,4 0,3 0,0
ленной оттоком тепла по термопаре. Как и при.
измерении температуры твердого тела, термо-
пару следует укладывать значительной своей
частью в изотермической поверхности, т. е. по
поверхности, температура которой измеряется.
При измерении температуры поверхности
большое значение имеет вопрос о креплении
рабочего конца термопары к поверхности. Ра-
бочий конец термопары можно приварить к по-'
верхности так, как это показано на фиг. 34-24,а,
или же приварить к пластинке, наложенной на
поверхность (фиг. 34-24,6). Такая пластинка
должна быть сделана из материала с хорошей
теплопроводностью (серебро, медь и т. п.) и
с коэффициентом лучеиспускания, одинаковым
с таковым для поверхности, температура кото-
рой измеряется (если поверхность не тепло-
Фиг. 34-24. Расположение термопары
при измерении температуры поверхности
изолирована). Применение пластинки особенно,
выгодно при измерении температуры на по-1
верхности плохо проводящих* тепло материа- i
лов.
Наилучшим является крепление рабочего?
конца термопары, показанное на фиг. 34-24,в.
Проведенные соображения хорошо иллю-
стрируются цифрами табл. 34-5, полученными
путем измерения температуры поверхности I
различных тел тремя способами крепления
рабочего конца, показанными на фиг. 34-24;
все измерения проведены при действительной
температуре поверхности, равной 35,5° С.
Как видно из приведенных в таблице дан- (
ных, расположение термопары согласно I
фиг. 34-24,в дает вполне удовлетворительные {
результаты даже при измерении температуры I
поверхности плохо проводящих тепло тел. |
Конструкции поверхностных термопар |
весьма многочисленны. В качестве примера, на |
Таблица 34-5
Способ расположения термопар Измеренная температура, °C
на пробке на дереве на меди
Термопара приварена к поверхности согласно фиг. 34-24, а . . . . 23,0 25,6 31,9
Термопара приварена к пластинке согласно фиг. 34-24,(7 32,4 34,3 34,5
Термопара приварена к пластинке и располо- жена согласно фиг. 34-24,8 . 35,4 35,4 35,5
Фнг. 34-25. Поверхностная
термопара („лепешечная*)
типа ТХК-551
фиг. 34-25 изображена поверхностная термо-
пара («лепешечная») типа ТХК-551. Рабочий
конец термопары вварен в никелевую «лепеш-
ку» 1. Вторая никелевая «лепешка» 2 точно
пригнана одной стороной к первой. Другая сто-
эона «лепешки» 2 обрабатывается по возмож-
ности точно по форме поверхности в том ее
месте, где нужно произвести измерение. Термо-
пара ввинчивается муфтой 3 в резьбовой на-
садок, приваренный к объекту измерения так,
чтобы наружная поверхность «лепешки» 2
плотно соприкасалась с испытуемой поверх-
ностью. Съемный колпачок 4 служит для пре-
дохранения «лепешки» в процессе перевозки.
На фиг. 34-26 изображена «ленточная» по-
верхностная термопара. Термопара 1 представ-
ляет собой два ленточных термоэлектрода, сва-
ренных посередине впритык. Свободные концы
ленточек прикреплены к пружинящим нож-
кам 2. Внутри рукоятки 3 проходят провода
к милливольтметру. Термопара предназначена
для измерения температур как плоских, так и
выпуклых металлических поверхностей. При
измерении неметаллических или шероховатых
поверхностей возникают дополнительные по-
грешности.
В случае применения поверхностных термо-
пар особое внимание должно быть уделено
учету температур свободных концов термопа-
ры, так как измеряемая температура обычно
невелика.
При измерении температуры вращающихся
валов возникает погрешность, обусловленная
теплом, развивающимся вследствие трения лен-
точной термопары о вал. Эта погрешность
имеет положительный знак, т. е. противопо-
ложна отрицательной
ленной оттоком тепла
погрешности, обуслов-
через термопару.
Г лава тридцать пятая
ПИРОМЕТРЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЛУЧИСТУЮ ЭНЕРГИЮ НАГРЕТЫХ ТЕЛ
§ 35-1. Зависимость параметров излучения
абсолютно черного тела от температуры
Законы температурного излучения, т. е.
излучения, являющегося функцией только тем-
пературы излучателя, совершенно точно опре-
делены лишь для абсолютно черного тела. Па-
раметры излучения всех физических тел
в большей или меньшей степени отклоняются
от этих законов.
Температурное излучение удобнее всего
характеризовать энергией, им переносимой.
Так как излучение обычно состоит из ком-
плекса лучей разных длин волн, то часто
представляется целесообразным пользоваться
параметром „монохроматическая интенсив-
ность излучения" /х. Под последней понимают
количество лучистой энергии в лучах длиной
волны от Л до 2 +- dl, излучаемой с единицы
поверхности в единицу времени. В литературе
размерность /х чаще всего встречается в виде
ккал
см2-см-час '
Согласно закону Кирхгофа отношение ин-
тенсивности излучения /х к коэффициенту по-
глощения Лх для данной длины волны Я оди-
наково для всех тел и зависит только от
температуры.
Фиг. 35-1. Абсолют-
но черное тело
поглощает все
где значки сверху соответ-
ствуют разным телам, зна-
чок ч соответствует абсо-
лютно черному телу.
Как известно, под абсо-
лютно черным телом пони-
мают такое тело, которое
учи, падающие на него. По-
лагая коэффициент поглощения абсолютно
черного тела Лх=1, получаем из формулы
(35-1):
/Х'=А'ГХ=/(Г)ЛХ'. (35-2)
Так как коэффициент поглощения физиче-
ских тел, отражающих всегда какую-либо
часть лучей, меньше, чем коэффициент погло-
щения абсолютно черного тела, то значения
Лх , Лх равны правильной дроби. Следова-
тельно, интенсивность излучения /х всякого
физического тела всегда меньше, чем интен-
сивность излучения /х абсолютно черного тела
при той же температуре.
Отсюда можно сделать вывод, что при оди-
наковой температуре и полная энергия излуче-
ния (всех длин волн) физического тела меньше
таковой абсолютно черного тела.
Для реального воспроизведения абсолютно
черного тела обычно используют замкнутую
камеру с непрозрачными, равномерно нагреты-
ми стенками и очень малым отверстием
(фиг. 35-1). После многих отражений энергия
входящего луча практически целиком погло-
щается внутренними стенками камеры. Напри-
мер, при коэффициенте поглощения стенок,
равном 1 2, энергия луча после 10-кратного
отражения уменьшается в 210 = 1024 раза; ко-
эффициент поглощения камеры равен при этом
0,999.
Закон монохроматического излучения. Рас-
каленное абсолютно черное тело испускает
лучи всех длин волн, спектр его непрерывен.
Однако распределение энергии в спектре не-
равномерно и интенсивность излучения в лучах
разной длины волны неодинакова.
Зависимость монохроматической интенсив-
ности излучения абсолютно черного тела от
длины волны и температуры выражается урав-
нением:
= _1_; (35-3)
ехт -1
здесь С[ и с2— постоянные;
е — основание натуральных лога-
рифмов; I
2 — длина волны, к которой отно-j
сится интенсивность излу-(
чения; (
Т—абсолютная температура. I
Значения постоянных следующие: ;
с1 = 37,03-IO’8 эрг-см2-сек~1; |
с2 = 1,432 см-град.
На фиг. 35-2 изображены кривые1/х =/(2)
при различных температурах. Из кривых вид-:
но, что при заданной температуре интенсив-
ккал
см (см-час
Фиг. 35-2. Кривые монохроматической
интенсивности излучения /х в функ-
ции от длины волны X при различных
температурах
i
ность излучения резко меняется с длиной :
волны. При росте температуры имеет место ’
сдвиг максимумов интенсивностей излучения ;
в сторону коротких волн, иначе говоря, при
повышении температуры меняется и качест-
венный состав лучистой энергии.
Видимая часть спектра заключена прибли-
зительно между длинами волн 2=0,4 мкн
и 2 —0,7 мкн. Поэтому при использовании
видимой части спектра удобнее применять
не формулу (35-3), а формулу
/х = С]2-5е ЛГ> (35-4)
так как при практически измеряемых темпе-
ратурах (7 <3 000° К) и 2 = 0,4-4-0,7 мкн зна-
_ сл
чение в хг в формуле (35-3) значительно боль-
ше единицы.
Уравнение (35-3) положено в основу изме-
рения температуры при помощи так называемых
оптических пирометров (метод монохромати-
ческого излучения).
Закон интегрального излучения. Мощность
излучения в пределах длин волн от 2j до 22
изображается на графике (фиг. 35-2) площадью,
ограниченной кривой излучения при данной
температуре, осью абсцисс и ординатами,
соответствующими 2| и 22.
Полная (интегральная) мощность излучения
абсолютно черного тела при заданной темпе-
ратуре характеризуется, следовательно, пло-
щадью, ограниченной кривой излучения при
данном значении Т и осью абсцисс.
Аналитически интегральная мощность S
выразится как
Х«=оо / с3 \
S = j —1р2 = а7’4, (35-5)
х=о
где а = 4,96-10-5 эрг!см2-сек-град4.
Этот закон положен в основу измерения
температуры при помощи так называемых ра-
диационных пирометров (метод интегрального
излучения).
Как видно из уравнений (35-3) и (35-5),
рост интенсивности излучения и полной мощ-
ности излучения с температурой весьма велик.
На фиг. 35-3 изображены кривые интенсив-
ности излучения при 2 = 0,65 мкн (красные
лучи) и полной мощности излучения в зависи-
мости от температуры. Из фигуры видно, что
увеличение интенсивности излучения красных
лучей с температурой происходит значительно
стремительнее, чем увеличение полной мощ-
ности излучения.
Закон смещения. Из уравнения (35-3) мож-
но найти длину волны 2/лкгЛ.с, соответствующую
максимальному излучению при данной темпе-
ратуре. Для этого необходимо продифференци-
ровать уравнение (35-3) и приравнять первую
производную нулю, что приводит к выражению:
2, • Т = const= 0,2884 см-град. (35-6)
Выражение (35-6) носит название закона сме-
щения.
Закон смещения положен в основу измере-
ния температуры при помощи так называемых
цветовых пирометров (метод спектрального
распределения энергии излучения).
Фиг. 35-3. Кривые монохроматиче-
ской интенсивности излучения /х
при * = 0,65 мкн и полной мощ-
ности S излучения в функции от
температуры
Излучение физических тел. Погрешность,,
обусловленная неполнотой излучения. Выше
было доказано, что монохроматическая интен-
сивность излучения и полная мощность излу-
чения всякого физического тела всегда меньше
таковых у абсолютно черного тела при оди-
наковой температуре.
Для физических тел
S'=Scs4,
где значок ' относится к физическому телу,,
а значок ч — к абсолютно черному телу;
здесь ех — коэффициент монохроматического
излучения, меньший единицы;
гс — коэффициент интегрального излу-
чения, меньший единицы.
Значения ех и для различных физи-
ческих тел различны и зависят от многих
факторов: от состава вещества, качества по-
верхности и т. п. Поэтому практическое исполь-
зование значений этих коэффициентов, ветре-
чающихся в различных таблицах, затрудни-
тельно. Градуировку приборов для измерения
температуры! методами излучения производят
по излучению абсолютно черного тела.
При измерении же этими приборами темпе-
ратуры физических тел всегда будет иметь
; место отрицательная погрешность, обусловлен-
ная неполнотой излучения. В таком случае
говорят, что эти приборы измеряют «черную
Фиг. 35-4. Принцип устройства
оптического пирометра
температуру» тела; под последней понимают
такую температуру, при которой абсолютно
черное тело характеризуется таким же пара-
метром излучения, как и данное физическое
тело при измеряемой (действительной) темпе-
ратуре.
Если представляется возможным экспери-
ментально определить для того или другого
конкретного случая измерения значения коэф-
фициентов еЛ или ес , то можно вычислить
поправку, которую необходимо прибавить к из-
меренной черной температуре тела, т. е. к по-
казанию пирометра, для получения действи-
тельного значения измеряемой температуры
физического тела.
Формулы для учета погрешности от непол-
ноты излучения будут выведены ниже, при рас-
смотрении конкретных примеров применения
лучистой энергии.
§ 35-2. Оптические пирометры
Ввиду трудности измерения абсолютной ве-
личины интенсивности излучения, оптические
пирометры используют принцип сравнения
в монохроматическом свете яркости исследуе-
мого тела с яркостью тела, предварительно
градуированного по излучению абсолютно чер-
ного тела , (поэтому оптические пирометры
Иногда называют яркостными).
Под яркостью понимают отношение силы
света в данном направлении к проекции све-
тящейся поверхности на плоскость, перпенди-
кулярную к тому же направлению. Для абсо-
лютно черного тела яркость одинакова во
всех направлениях. Два тела, имеющие
в одном направлении одинаковую яркость,
характеризуются, следовательно, одинаковой
интенсивностью излучения и, согласно закону
монохроматического излучения [уравнение
(•35-3)], одинаковой температурой.
Наибольшее распространение имеют опти-
ческие пирометры с переменной яркостью об-
разцового излучателя, принцип устройства
которого показан на фиг. 35-4. В этом пиро-
метре яркость исследуемого тела сравнивается
с яркостью нити фотометрической лампы на-
каливания /„ служащей источником излучения
образцовой яркости. Фотометрическая лампа
имеет нить, расположенную в одной плоскости.
Яркость в средней части нити во всех точках
примерно одинакова, ее можно регулировать
реостатом 2, помещенным непосредственно
в ручке телескопа пирометра. Телескоп пиро-
метра направляют на раскаленное исследуе-
мое тело таким образом, чтобы глаз, смотря-
щий со стороны передвигаемого окуляра 3,
видел на фоне раскаленного тела нить фото-
600 650 700 микрон
Длина волны
Фиг. 35-5. Кривые пропускания крас-
ного светофильтра (1) и чувствитель-
ности человеческого глаза (2) к
лучам различной длины волны
метрической лампы. Передвижением объекти-
ва 4 и окуляра 3 необходимо добиться полу-
чения изображения раскаленного тела и нити
фотометрической лампы в одной плоскости.
Красный светофильтр 5 пропускает лучи
длиной только от 0,62 лкн и выше (кривая 1
на фиг. 35-5); чувствительности человеческого
глаза отвечает кривая 2 на фиг. 35-5. Таким
образом, заштрихованная площадь характери-
зует лучи, воспринимаемые наблюдателем при
наличии красного светофильтра. Из фиг. 35-5
видно, что использование светофильтра вызы-
вает значительную потерю мощности излуча-
теля (фотометрической лампы); эта потеря
мощности иногда достигает 95% от мощности
излучателя.
Изменяя ток в фотометрической лампе, до-
биваются совпадения яркости нити и исследуе-
мого тела. Глаз видит при этом картину, изо-
браженную на фиг. 35-6,а. Положение б соот-
ветствует яркости нити большей, чем яркость
а) б) в)
Фиг. 35-6. Картины получаемых в оптиче-
ском пирометре изображений нити фото-
метрической лампы и объекта измерения
тела, а положение в — яркости нити меньшей,
чем яркость тела. Описываемый пирометр ча-
сто называют пирометром с исчезающей
нитью. Шкала амперметра градуирована непо-
средственно в градусах температуры излуча-
теля.
Для увеличения предела измерения пиро-
метра применяется ослабляющий (нейтраль-
ный) поглотитель. Лучи всех длин волн погло-
щаются им одинаково. Поглотитель уменьшает,
таким образом, яркость исследуемого тела
в определенное число раз, тогда как яркость
нити лампочки остается прежней.
Зная коэффициент поглощения поглотителя
п, можно подсчитать черную температуру тела.
Пусть Тн—черная монохроматическая тем-
пература нити,
Тт — черная монохроматическая тем-
пература тела,
/н — интенсивность излучения нити
в лучах длины волны Л,
1т— интенсивность излучения тела
в лучах длины волны 2.
Поскольку 1т благодаря поглотителю умень-
шилось в п раз, имеем при совпадении ярко-
стей нити и тела:
Тогда, согласно основному уравнению оптиче-
ского пирометра (35-3), имеем:
, _ i I т Со , /1 1 \
lgn= lg-r=r-lge — — — .
1 н А V н * mJ
После подстановки значений с2, 2 (0,65 мкн)
и Ige получим:
1g л = 9568 (-J-(35-7)
V к * т]
Из этого выражения нетрудно подсчитать
значение Тт по заданным Тн и п.
В качестве фотометрической лампы приме-
няют лампу с вольфрамовой нитью, предвари-
тельно состаренную при примерно 2 000° С
в течение 100 часов. Если нить такой лампы не
перегревать выше 4 400—1 500° С, то лампа
может сохранять свои характеристики чрезвы-
чайно долго.
Температурная шкала прибора в значитель-
ной степени зависит от фотометрической лам-
пы. На фиг. 35-7 дана кривая зависимости
тока в лампе от температуры нити. Из этой
кривой видно, что изменению температуры
нити от 600° С (начало свечения нити) до верх-
него предела 1 400° С соответствует изменение
тока от 0,16 до 0,4 а. Таким образом, у ампер-
метра с пределом измерения в 0,4 а началь-
ные 40% шкалы совершенно не используются.
Фиг. 35-7. Кривые зависимости тока и
напряжения в фотометрической лампе от
температуры нити
Кроме того, благодаря параболической за-
висимости тока от температуры, деления шка-
лы вначале сильно сжаты. Вследствие этого
в описываемом пирометре применен амперметр
с подавленным нулем, у которого имеет место
значительный начальный угол закручивания
пружинки. При отсутствии тока стрелка при-
жата, таким образом, к левому упору. На ну-
левое положение стрелка устанавливается при
токе порядка 0,15 а.
Недостатком такого прибора является,
с одной стороны, невозможность проверить по-
ложение стрелки при отсутствии тока, с дру-
гой стороны, большой угол закручивания пру-
жинки при конечном отклонении, что создает
опасность появления остаточных деформаций
пружинки, а следовательно, и погрешности
в показаниях прибора.
На этой же фигуре изображена кривая за-
висимости напряжения на лампе от темпера-
туры. Из сопоставления кривых видно, что
диапазон изменения напряжения на лампе
Фиг. 35-8. Оптический пирометр типа-ОППИР-09
в одном и том же интервале температур боль-
ше, чем диапазон изменения тока, что объяс-
няется увеличением сопротивления нити при
росте тока.
На фиг. 35-8 показано устройство пиро-
метра ОППИР-09. Измеритель ОППИР-09
измеряет не ток в фотометрической лампе
(образцовом излучателе), как в описанном вы-
ше пирометре, а напряжение. Это обстоятель-
ство позволило отказаться от подавления нуля
у вольтметра.
В пирометре ОППИР-09 конструктивно
объединены телескоп и измеритель, что пред-
ставляет значительные удобства в эксплуата-
ции.
В корпусе 1 укреплена труба объектива 2,
внутри которой может перемещаться выдвиж-
ная трубка 3 с укрепленным на ее конце объек-
тивом 4. Внутри корпуса, на колодке 5, укреп-
лена фотометрическая лампа 6 с дугообразной
нитью накаливания. Плоскость нити, так же
как и изображение объекта измерения, распо-
ложены перпендикулярно оптической оси.
Лампа предназначена для работы при тем-
пературах, не превышающих 1 400° С; при бо-
лее высоких температурах сокращается срок
службы лампы и изменяются ее характеристи-
ки, что ведет к нарушению градуировки пиро-
метра.
Кольцевой реостат 7, служащий для регу-
лировки тока накала фотометрической лампы,
смонтирован в крышке 8 корпуса. Поворотное
кольцо (движок) 9 реостата со щеткой 10 пе-
ремещается вдоль окружности крышки 8. При
крайнем левом положении кольца 9 щетка Iff
сходит со спирали реостата 7, разрывая тем
самым цепь тока лампы; при этом щетка замы-
кает накоротко концевые контакты 11 рамки 12
магнитоэлектрического вольтметра, что создает
переуспокоенный (апериодический) режим
движения рамки. Подобный режим рамки, как
известно, способствует резкому уменьшению
колебаний подвижной части прибора при тря-
ске, возможной при переноске, упаковке и рас-
паковке прибора. Кольцо реостата удерживает-
ся на месте перекрывающим его буртиком
круглой крышки 13 реостата.
С крышкой 13 реостата отлита заодно на-
правляющая труба 14 окулярной системы, в ко-
торой перемещается трубка 15 окуляра. В труб-
ке, на ее конце, обращенном к фотометриче-
ской лампе, укреплена линза 16 окуляра;
у внешнего конца последнего (обращенного
к наблюдателю) помещен красный свето-
фильтр 17 и выходная диафрагма 18, за кото-
рой наблюдатель помещает свой глаз при изме-
рении температуры.
Красный светофильтр укреплен в поворот-
ной обойме, поворотом которой он может быть
выведен из поля зрения при измерении низких
температур (до 900°С), когда яркость объек-
та измерения мала.
Пирометр имеет два предела измерения:
800—1 400 и 1 200—20009 С. Для перехода на
второй предел измерения необходимо ввести,
с помощью поворотной головки 19, ослабляю-
щий светофильтр 20.
На фиг. 35-8, кроме того, видны: постоян-
ный магнит 21 измерителя, стрелка 22, переме-
щающаяся вдоль шкалы 23, рукоятка 24 теле-
скопа и контактные стержни 25 для приклю-
чения нити лампы в цепь питания.
Оптические пирометры с постоянной яр-
костью образцового излучателя. На фиг. 35-9
показан оптический пирометр, работающий при
постоянной температуре нити фотометрической
лампы 1.
Уравнивание яркостей нити и объек-
та измерения производится при помощи опти-
ческого кругового клина 2 (ослабляющего
фильтра), отдельно показанного на фиг. 35-10.
Поворачивая клин вокруг оси а, изменяют тол-
щину слоя фильтра, через который должны
пройти лучи Ъ объекта измерения.
Фиг. 35-9. Оптический пирометр с постоянной
яркостью образцового излучателя
Таким образом, при повороте клина лучи от
исследуемого объекта встречают разную
(в зависимости от угла поворота) толщину
клина и поэтому ослабляются в различной сте-
пени. Указатель (стрелка) <3 (фиг. 35-10), свя-
занный с рукояткой клина, перемещается по
шкале, градуированной непосредственно в гра-
дусах температуры.
Оптическая система состоит из объектива
4, окуляра 5 и красного светофильтра 6. Плос-
копараллельный ослабляю-
щий фильтр 7 служит для
Фиг. 35-10. Оптиче-
ский круговой
клйн
увеличения предела измере-
ния пирометра.
Амперметр и реостат,
включенные в цепь фотомет-
рической лампы, служат
лишь для поддержания по-
стоянного значения тока
(принятого при градуировке
прибора) в нити фотометри-
ческой лампы. Достоинством
этого пирометра является
близкий к линейному харак-
тер шкалы.
§ 35-3. Погрешности и введение поправок
к показаниям оптического пирометра
на неполноту излучения
Основной погрешностью оптического пиро-
метра является погрешность, обусловленная
неполнотой излучения.
Пусть Т — действительная температура
тела;
Тч — черная яркостная температура тела,
т. е. черная температура (см.
§ 35-1), отвечающая измеренной
температуре физического тела по
его яркости.
Тогда для интенсивности излучения тела
при длине волны Я можно написать:
где гх— коэффициент монохроматического из-
лучения тела.
Отсюда имеем:
Щ-lge^-^lge + lge^;
, с, , / 1 1 \
откуда
Подставляя значения Я (0,65 мкн), с2
и Ige, получим:
тч Т 9 568 ’
откуда
т 9 568 Тч
9 568- 1g ~.ТЧ
Это выражение позволяет ввести поправку
к показаниям Тч пирометра, если известен
коэффициент ех.
Следует учитывать, что значение ех в зна-
чительной степени зависит от состояния
поверхности тела; пленки окислов на блестя-
щем металле могут резко изменить его коэф-
фициент монохроматического излучения.
Погрешность фотометрирования. Хотя фото-
метрирование (сравнение яркостей двух тел)
производится в оптическом пирометре доста-
точно грубо и субъективно, тем не менее по-
грешность фотометрирования весьма мала.
Дело в том, что яркость тела растет значи-
тельно быстрее (в десятки раз), чем его темпе-
ратура. Таким образом, определенная погреш-
ность фотометрирования вызовет погрешность
в определении температуры в несколько десят-
ков раз меньшую. Погрешность фотометриро-
вания по яркости обычно не превосходит 1 %,
поэтому погрешность в измерении температу-
ры не превышает практически 0,1%.
Погрешность, обусловленная поглощением
в среде между телескопом и излучателем (тем-
пература которого измеряется), обычно очень
мала, поэтому- можно считать, что показания
оптического пирометра не зависят от расстоя-
ния до излучателя.
При помещении между оптическим пиро-
метром и излучающей поверхностью, стеклян-
ной пластинки или призмы возникает погреш-
ность, обусловленная поглощением лучей пла-
стинкой (или призмой). Эта погрешность рас-
тет с увеличением измеряемой температуры и
может достигать 1,0—1,5% при температурах
около 2 500° С.
Градуировка оптических пирометров, как
указывалось выше, должна производиться по
абсолютно черному телу. На практике градуи-
ровку производят чаще всего по так называе-
мой температурной лампе, предварительно гра-
дуированной по излучению абсолютно черного
тела.
Температурная лампа представляет собой
лампу накаливания с плоской лентой из
вольфрама, что позволяет получить однород-
ную яркость на большой поверхности (в сред-
ней части ленты).
Проградуировав температурную лампу по
абсолютно черному телу, получают кривую
/ = f(t), где I — ток в температурной лампе.
Таким образом, измеряя ток в лампе (лучше
измерять компенсационным методом), опреде-
ляют температуру в средней части ленты
лампы.
На середине ленты делается зарубка, на
которую и фокусируют верхнюю часть нити
фотометрической лампы пирометра.
§ 35-4. Радиационные пирометры
В пирометрах этого типа полная мощность
излучения воспринимается теплочувствитель-
ным элементом (обычно — термобатареей),
предварительно градуированным по излучению
абсолютно черного тела.
В качестве примера опишем устройство ра-
диационного пирометра типа РП. Телескоп
(преобразователь) пирометра изображен на
фиг. 35-11. Излучение концентрируется объек-
тивом 1 через диафрагму 2 на рабочих концах
термобатареи 3, припаянных к платиновому ле-
пестку, покрытому платиновой чернью. Прак-
тически можно считать, что подобным лепест-
ком поглощается 98—99% падающих на него
лучей.
Термобатарея состоит из четырех термопар
(хромель — копель) с термоэлектродами диа-
метром 0,07 мм. Термобатарея с лепестком по-
мещена в стеклянную колбочку. Экран 4 за-
Фиг. 35-11. Радиационный пирометр типа РГТ
щищает термобатарею от механических по-
вреждений и от рассеянных излучений со сто-
роны стенок телескопа, температура которых,
может быть различной, в зависимости от усло-
вий эксплуатации.
При измерении высоких температур, для
защиты глаза при установке телескопа, перед
окуляром в поле зрения вводят красное стек-
ло 5. Фокусировка производится окуляром б;
объектив закреплен неподвижно.
Фиг. 35-12. Изображение лепестка и.
объекта измерения в телескопе
радиационного пирометра
Наводка осуществляется таким образом;,
чтобы лепесток полностью перекрывался изо-
бражением объекта измерения, тогда в оку-
ляре виден лепесток, окруженный ярким сия-
нием раскаленной поверхности (фиг. 35-12)..
В положении б излучатель мал; необходимо <
уменьшить расстояние от телескопа до излу- -
чателя, чтобы получить правильное изображе-
ние, как в положении а (положение в соответ-
ствует криво направленному телескопу). Отно-
шение диаметра источника излучения к рас-
стоянию от телескопа до излучателя должно-'
быть равно примерно Vis-
Максимальная температура нагрева лейе-
стка должна быть равна примерно 250° С, так:;
как при более высоких температурах чернь
коагулирует и становится серой. Предел изме-
рения пирометра с описываемым телескопом —
от 900 до 1 800° С.
Для компенсации влияния изменения тем-
пературы свободных концов термобатареи, па-
раллельно последней приключена катушка из
медной (или никелевой) проволоки. Благодаря
положительному температурному коэффициен-
ту меди перераспределение тока между шун-
том и милливольтметром компенсирует изме-
нение э. д. с. термобатареи, обусловленное ко-
Фиг.. 35-13. Радиационный пирометр со звездообразной
термобатареей открытого типа
лебаниями температуры свободных концов.
Например, при увеличении окружающей тем-
пературы (а следовательно, и температуры
свободных концов) э. д. с. термобатареи
уменьшается, но сопротивление шунта увели-
чивается, и ток, ответвляющийся в милливольт-
метр, сохраняется практически неизменным.
Э. д. с. термобатареи может измеряться
также автоматическим компенсатором.
На фиг. 35-13 показана более совершенная
конструкция телескопа радиационного пиро-
метра.
Поток излучения попадает через линзу 1
и диафрагму 2 в переднюю камеру 3. В этой
камере укреплена термобатарея 4 и компенса-
ционная катушка 5 из никеля. Благодаря за-
черненному ступенчатому конусу перед термо-
батареей, на нее попадает только лучистый
поток, направленный линзой 1; все отраженные
лучи поглощаются стенками ступенчатого ко-
нуса. Термобатарея состоит из десяти V-образ-
ных термопар (фиг. 35-14), соединенных после-
довательно (сваркой). Плоские рабочие кон-
цы образуют венчик, зачерненный с одной сто-
роны.; свободные концы термопар приварены
к тонким металлическим полоскам, приклепан-
ным к тонкому слюдяному кольцу, вложенно-
му между двумя другими слюдяными кольца-
ми. Все кольца зажаты между двумя полови-
нами внутренней (передней) камеры, что обес-
печивает равенство температур пластинок и
корпуса.
Преимуществами подобной конструкции
термобатареи являются:
1) отсутствие стекла (колбы), поглощаю-
щего значительную часть лучистой энергии;
Фиг. 35-14. Звездообразная
термобатарея
2) звездообразное расположение (в одной:
плоскости) термопар, что позволяет улучшить,
фокусировку телескопа; в телескопе пирометра
РП, описанного выше, четыре термопары не-
обходимо изолировать друг от друга, что вызы-
вает некоторое смещение плоскостей располо-
жения отдельных термопар; кроме того, звездо-
образное расположение термопар позволяет
использовать термобатарею из большого числа
термопар;
3) удобство термостатирования свободных
концов.
В задней камере 6 (фиг. 35-13) помещены
зажимы 7 термобатареи; цифрой 8 обозначен
штуцер для вывода проводов от зажимов,
к измерителю. Наводка телескопа осуществ-
ляется через визирное отверстие 9 окуляром 10.
Крепление пирометра производится флан-
цем 11.
В приборе предусмотрена возможность ре-
гулировки чувствительности пирометра в пре-
делах от —10 до 4-20% (в мв) посредством
перемещения диафрагмы при помощи труб-
ки 12.
Устройство для компенсации влияния окру-
жающей температуры осуществляется при по-
мощи катушки из никелевой проволоки, при-
ключенной параллельно непосредственно к вы--
водам термобатареи.
Погрешность от изменения окружающей
температуры (а следовательно, и температуры
свободных концов) и влияние никелевого шун-
та для описываемого радиационного пирометра
иллюстрируется фиг. 35-15. Кривая 1 соответ-
ствует работе пирометра с никелевым шунтом,
Окружающая температура
Фиг. 35-15. Кривые погрешностей радиа-
ционного ^пирометра, обусловленных из-
менением окружающей температуры
а кривые 2, 3 и 4 — работе без шунта при тем-
пературах источника излучений: 690, 1040 и
1500° С.
Отношение расстояния от телескопа до
источника излучения к диаметру источника
Фиг. 35-16. Зависимость погрешности
радиационного пирометра от отношения
расстояния от телескопа до источника
излучений к диаметру источника
должно быть не более 20 : 1. Минимальный
диаметр источника излучений 3,5 см. На
фиг. 35-16 показана зависимость погрешности
пирометра от отношения этих расстояний.
Чувствительность радиационных пиромет-
ров в значительной степени определяется каче-
ством материала линзы объектива. Основная
часть лучистой энергии нагретого тела падает
на инфракрасную область спектра, т. е. на
лучи тех длин волн, которые особенно интен-
сивно поглощаются обычным стеклом. Поэтому !
линзы следует выполнять из особых сортов
стекла или из кварцевого стекла, поглощающих
значительно меньше лучистой энергии, чем
обычное стекло.
Из кривых фиг. 35-2 видно, что максимум
интенсивности излучения с повышением темпе-
ратуры сдвигается в сторону более коротких
волн; таким образом, поглощение лучистой
энергии линзой значительно повышается при
понижении температуры нагретого тела. Ниж-
ний предел измерения температуры радиацион-
ным пирометром со стрелочным измерите-
лем определяется, в основном, материалом
линзы.
Применение линз из кварцевого стекла поз-
воляет измерять температуру (радиационным
пирометром) от 500 до 600° С, тогда как линзы
из стекла ограничивают нижний предел изме-
рения температурой, равной 700—-800° С. Для
измерения радиационным пирометром темпе-
ратур порядка 20*0—300° С применяются пиро-
метры с телескопом, в котором вместо линзы
используется вогнутое зеркало, фокусирующее
лучи на термобатарею. Потери излучения в зер-
кале меньше, чем в линзе.
§ 35-5. Погрешности и монтаж радиационных
пирометров
Погрешность, обусловленная неполнотой
излучения, имеет место и у радиационных пи-
рометров. Показания радиационных пиромет-
ров соответствуют так называемой черной
интегральной (или радиационной) температу- <
ре, которая всегда меньше, чем действительная
температура объекта измерения.
Соотношение между показаниями радиа-
ционного пирометра, градуированного по излу-
чению абсолютно черного тела, и действитель-
ным значением измеряемой температуры опре-
деляется при помощи коэффициента интеграль-
ного излучения гс, равного отношению энергии
полного излучения объекта измерения к энер-
гии полного излучения абсолютно черного тела ।
при той же температуре.
Пусть Тч— черная температура интеграль-
ного излучения;
Т — действительная температура
тела.
Тогда, полная мощность излучения равна:
5 = аТ,'4; S = rf\-,
отсюда
Это уравнение’ может служить для введения
поправки на неполноту излучения, если изве-
стен коэффициент для конкретных условий
измерения.
Следует отметить, что" только для серых
излучателей, у которых значение ге для всех
лучей одинаково, можно вводить поправку на
неполноту излучения. При селективном излу-
чении и при значительном поглощении лучей
оптикой прибора, введение поправки невозмож-
но. Поэтому поправку на неполноту излучения
при пользовании радиационным пирометром
обычно не вводят.
Исходя из этих соображений, применение
радиационных пирометров возможно лишь
в тех случаях, когда полная мощность излуче-
ния объекта измерения мало отличается от пол-
ной мощности излучения абсолютно черного
тела при той же температуре. Большинство
закрытых печей и топок с небольшими сравни-
тельно отверстиями и окнами удовлетворяют
этому условию.
Погрешность, обусловленная поглощением
в промежуточной среде между телескопом пи-
рометра и излучателем и в самом телескопе от
его загрязнения, может достигать значитель-
ной величины, в особенности, если в простран-
стве между телескопом и объектом измерения
имеется пыль, дым, пар, углекислый газ и окись
углерода.
Столб атмосферного воздуха длиной 50 см
при обычных условиях (упругость паров воды
около 10 мм рт. ст.) обладает коэффициентом
интегрального поглощения около 3%, что вы-
зывает погрешность, примерно равную 0,7%.
Присутствие в воздухе СО2 и СО значительно
увеличивает эту погрешность, так как данные
газы имеют полосы поглощения при длинах
волн от 3 до 6 мкн.
Помещение стекла между телескопом пиро-
метра и излучателем дает значительную по-
грешность вследствие поглощения стеклом ин-
фракрасных лучей.
Влияние расстояния между пирометром и
излучателем. Принципиально показания радиа-
ционного пирометра не должны были бы зави-
сеть от расстояния до излучающей поверхности
и от размеров последней (при условии, что
изображение излучающей поверхности пол-
16 А. М. Туричин.
ностью перекрывает лепесток с термобатареей),
поскольку диафрагма ограничивает поверхность
линзы, участвующей в фокусировке потока лу-
чей на лепесток с термобатареей, вследствие
чего суммарная мощность излучения, получае-
мая лепестком, сохраняется неизменной.
Однако на практике происходит следующее.
Диафрагма и стенки телескопа нагреваются
тем больше, чем большие размеры имеет
излучатель и чем меньше расстояние от теле-
скопа до излучателя, вследствие чего нагре-
ваются свободные концы термобатареи, умень-
шая тем самым показания пирометра. При
этом погрешность будет тем больше, чем боль-
Фиг 35-17. Кривая тепловой инер-
ции радиационных пирометров
ше диаметр изображения излучающей поверх-
ности. Если же размеры излучающей поверх-
ности малы, или расстояние от телескопа до
излучателя больше нормального и изображение
излучателя не перекрывает лепесток, то пока-
зания пирометра будут меньше действительной
температуры. Поэтому целесообразно устанав-
ливать пирометр на таком расстоянии от излу-
чающей поверхности, чтобы изображение по-
следней имело такой же диаметр, какой имела
излучающая поверхность при градуировке
пирометра.
Некоторые конструкции пирометров преду-
сматривают охлаждение телескопа проточной
водой или сжатым воздухом. Телескоп внутри
покрывается черной краской, чтобы уменьшить
отражение лучей от стенок телескопа на тер-
мопару. Диафрагму выполняют из металла, хо-
рошо проводящего тепло, для того чтобы воз-
можно лучше отводить тепло, поглощаемое
диафрагмами.
Инерция радиационных пирометров. На
фиг. 35-17 приведена типичная кривая зависи-
мости показаний пирометра (при включении
его) от времени. Тепловая инерция телескопа
определяется в основном тепловой инерцией
термобатареи. Чем тоньше проволоки термо-
пар, тем меньше инерция пирометра.
Градуировка радиационных пирометров
обычно осуществляется по образцовому радиа-
ционному пирометру, предварительно градуи-
рованному по излучению абсолютно черного
тела.
В качестве абсолютно черного тела чаще
всего используется никелевая пластинка, через
которую пропускается ток. Никель при нагреве
покрывается пленкой окисла, поглощающей
практически до 96% лучей, падающих на нее.
Никелевую пластинку можно нагревать до
1 300° С. Для градуировки при более высоких
температурах (до 1800° С) применяется печь
•с угольной трубой, нагреваемой током. Диа-
метр печи меньше ее длины примерно в 10 раз.
Область применения. Радиационные пиро-
метры, уступая оптическим пирометрам в отно-
шении точности показаний, обладают тем до-
стоинством, что являются приборами с объек-
тивным непрерывным отсчетом, тогда как опти-
ческие пирометры — приборы ручной наводки.
Поэтому радиационные пирометры могут быть
использованы как для непрерывной регистра-
ции температуры, так и для автоматического
регулирования технологического процесса по
температуре.
Верхний предел измерения выпускаемых
радиационных пирометров равен 1800° С.
Монтаж радиационных пирометров. Выше
отмечалась значительная погрешность радиа-
ционных пирометров, обусловленная неполно-
той излучения физических тел; указывалось
также на трудность введения поправки к пока-
заниям радиационного пирометра на неполно-
ту излучения. Поэтому вопрос о надлежащем
монтаже этих пирометров, обеспечивающем ма-
ксимальное приближение излучения объекта
измерения к излучению абсолютно черного те-
ла, имеет важное значение. Кроме того, при
монтаже радиационных приборов следует учесть
необходимость защиты телескопа от загрязне-
ний и пыли, а также от нагрева при темпера-
турах среды, превышающих допустимую.
В неблагоприятных условиях измерения те-
лескоп радиационного пирометра необходимо
помещать в защитном кожухе, охлаждаемом
проточной водой; в отдельных случаях прихо-
дится использовать специальную (так называе-
мую визирную) трубу с открытым дном, обду-
ваемую сжатым воздухом и охлаждаемую
водой.
Если объект измерения по своим излучаю-
щим свойствам сильно отличается от абсолют-
но черного тела вследствие большого количе-
ства продуктов неполноты сгорания (дыма)
в рабочем пространстве или вследствие нали-
чия в последнем пламени, то вместо визирной
трубы применяют так называемую калильную
трубку из керамики с глухим дном, которая
заделывается или заподлицо с внутренней по-
верхностью кладки, или несколько выступает
из нее в измеряемую среду. На телескоп ра-
диационного пирометра в этом случае воздей-
ствует излучение глухого конца калильной
трубки. Диаметр калильной трубки колеблет-
ся в пределах 50—150 мм.
Измерение с калильной трубкой можно про-
изводить лишь при медленном изменении тем-
пературы объекта во времени, так как калиль-
ная трубка обладает достаточно большой теп-
ловой инерцией. Следует отметить также, что
результат измерения температуры при приме-
нении калильной трубки отвечает какой-то
средней температуре, более близкой к темпера-
туре стенки, в которую вделана калильная
трубка.
§ 35-6. Цветовые пирометры
и их погрешности
Закон смещения [уравнение (35-6)] позво-
ляет определить абсолютную температуру тела
по длине волны, при которой имеет место ма-
ксимум интенсивности излучения.
При промышленных измерениях темпера-
туры пирометрами, основанными на законе
смещения, можно определять отношение
интенсивностей излучения данного тела в лу-
чах двух заранее выбранных длин волн. Это
отношение для каждой температуры будет
различным и вполне однозначным и, следова-
тельно, может служить критерием абсолютной
температуры тела.
Аналогично понятиям черной монохромати-
ческой температуры тела и черной интеграль-
ной температуры, в данном случае пользуются
понятием «цветовая температура» тела; под
последней понимают температуру абсолютно
черного тела, при которой отношение интенсив-
ностей излучения в лучах длин волн 2| иД
равно отношению интенсивностей излучения
в лучах тех же длин волн физического тела
при его действительной температуре.
Если физическое тело является серым из-
лучателем, т. е. таким, для которого значе-
ние ех для всех длин волн одинаково, и, сле-
довательно, кривые /х=г/(2) при различных Т
совершенно подобны аналогичным кривым для
абсолютно черного тела, то цветовая темпе-
ратура будет точно равна действительной
температуре тела. Поэтому для физических
тел, являющихся серыми излучателями, нет
необходимости вводить поправку на неполноту
излучения, что представляет большое пре-
имущество перед двумя описанными выше
типами пирометров (оптические и радиацион-
ные пирометры).
Следует отметить, что большинство техни-
ческих измерений температуры относится к те-
лам, дающим излучение, близкое к серому
излучению.
На фиг. 35-18 схематически показано
устройство цветового пирометра. В описывае-
мом пирометре лучи от накаленной поверх-
Фиг. 35-18. Принцип устройства цветового пирометра
ности тела 1, температура которого измеряет-
ся, проходят через объектив 2 на бихромати-
ческий клин 3. Этот клин устроен таким обра-
зом, что пропускает только красные и зеленые
(или синие) лучи; при этом степень пропуска-
ния им этих лучей меняется при повороте кли-
на различно для красных и зеленых лучей.
Пройдя бихроматический клин, лучи от объек-
та измерения проходят ослабляющий нейтраль-
ный клин 4 и попадают на диагональную плос-
кость фотометрического кубика 5. Средняя
часть диагональной плоскости кубика посереб-
рена; поэтому в глаз наблюдателя попадают
лучи, прошедшие по краям диагональной плос-
кости кубика (заштрихованная площадь на
фиг. 35-18,6).
На эту же диагональную плоскость по-
падают лучи от фотометрической лампы 6, про-
ходящие через бихроматический (не регулируе-
мый) фильтр 7 и отразившиеся от зеркальной
части диагональной поверхности оптического
кубика. Таким образом, в окуляре глаз видит
два поля сравнения (фиг.: 35-18,6): поле
излучающей поверхности 1 (наружное кольцо)
и поле фотометрической лампы (внутренний
прямоугольник).
Так как красные и зеленые (или синие)
лучи являются дополнительными друг другу,
го, изменяя положение бихроматического кли-
на 3, иначе говоря,' изменяя соотношение крас-
ных и зеленых лучей, прошедших через клин,
16-
можно добиться ощущения глазом белого
цвета.
Бихроматический фильтр 7 при определен-
ном токе, указываемом амперметром, также
пропускает красные и зеленые лучи от фото-
метрической лампы в такой пропорции, кото-
рая вызывает ощущение белого цвета. Таким
образом, для каждого значения температуры
объекта измерения 2, т. е. для каждого соот-
ношения красных и зеленых лучей в световом
потоке объекта измерения, зависящего от его
температуры, можно найти положение клина 3,
при котором глаз наблюдателя видит белое
поле.
Полное фотометрирование, т. е. получение
одинаковой яркости обоих белых полей, кото-
рые видит глаз наблюдателя, производится
нейтральным клином 4.
Оба клина (бихроматический и нейтраль-
ный) снабжены указателями, перемещающими-
ся по соответствующим шкалам.
Таким образом, процесс измерения сводит-
ся к последовательной регулировке обоих
клиньев: сначала бихроматического до полу-
чения белого цвета, затем нейтрального клина
до совпадения яркостей объекта измерения и
фотометрической лампы. Отсчет по шкале би-
хроматического клина дает цветовую темпера-
туру, а отсчет по шкале нейтрального клина —
яркостную температуру.
Если прибор был градуирован по излуче-
нию абсолютно черного тела, то при измерении
температуры серого излучателя отсчет по шка-
ле нейтрального клина будет несколько мень-
ше, чем по шкале бихроматического клина; это
обстоятельство при использовании цветовых
пирометров и является свидетельством того,
что излучатель является серым телом.
Следует отметить, что даже при значи-
тельной селективности излучения, т. е. при
достаточно различных еХ1 и еХ2, цветовая тем-
пература Тц менее отличается от действи-
тельного значения температуры, чем черная
монохроматическая температура Тч, показы-
ваемая оптическим пирометром при том же
значении еХ1 (или еХ2), и черная интегральная
температура Тч, показываемая радиационным
пирометром. В качестве примера приводим сле-
дующие значения поправок на неполноту излуче-
ния, определенные для случая измерения темпе-
ратуры металла, имеющего ех=0 65 мкн= 0,4 и
гХ=п-.0лкн~®,3.
При действительной температуре, равной
1 500° С, поправка к показаниям оптического
пирометра равна 121° С, поправка к пока-
заниям радиационного пирометра равна
4-363° С, поправка к показаниям цветового пи-
рометра равна + 63° С.
К недостаткам цветовых пирометров сле-
дует отнести сложность устройства, а также то
обстоятельство, что они являются приборами
ручной наводки. Однако в последнее время
развитие цветовой пирометрии идет по пути
разработки фотоэлектрических цветовых пиро-
метров, позволяющих не только получать объ-
ективный отсчет измеряемой температуры, но и
осуществлять автоматическое регулирова-
ние ее.
§ 35-7. Фотоэлектрические яркостные
пирометры
Фотоэлектрические пирометры основаны на
использовании зависимости между током I фо-
тоэлемента и температурой Т источника излу-
чений, освещающего фотоэлемент. Эта зависи-
мость имеет вид:
I =-. аТп,
где константа п зависит от вида спектральной
характеристики применяемого фотоэлемента,
а константа а — от его чувствительности. По-
этому для данного типа фотоэлемента значе-
ние п постоянно, а значение а может быть не-
сколько различным для различных фотоэле-
ментов одного типа. Показатель п достигает
10—12 и может быть еще увеличен примене-
нием соответствующих светофильтров.
Фотоэлементы чувствительны лишь к лучам
видимой части спектра и к ближайшей к ней
части инфракрасной области. Поэтому фото-
электрические пирометры иногда называют, на-
ряду с оптическими, пирометрами частичного
излучения.
В отношении точности измерения темпера-
туры фотоэлектрические пирометры могут кон-
курировать с оптическими и радиационными
пирометрами. Если измерение фототока про-
изводить с погрешностью, не превышающей
2,5%, что практически вполне достижимо, то
при коэффициенте п = 10 погрешность в опре-
делении температуры Т = 2000° К составляет,
всего 5° К. Однако такая точность измере-
ния является кажущейся, поскольку, как это
следует из дальнейшего, переход от темпера-
туры, измеренной фотоэлектрическим пиромет-
ром, к действительному значению измеряемой
температуры! в большинстве случаев является
затруднительным.
В переносных фотоэлектрических пиромет-
рах обычно применяют селеновые фотоэлемен-
ты (вентильного типа), фототок которых мо- ;
жет быть измерен чувствительным гальвано- ;
метром без применения ламповых усилителей. (
В стационарных же фотоэлектрических пиро- (
метрах предпочитают пользоваться фотоэле- г
ментами с питанием от постороннего источника :
тока (фотоэлементы с внешним фотоэффек-
том) ; в этом случае приходится прибегать j
к ламповым усилителям фототока. )
Фотоэлектрический пирометр градуируется )
по излучению абсолютно черного тела. Вопрос i
о введении поправки на неполноту излучения
для фотоэлектрических пирометров изучен еще (
менее, чем для оптических и радиационных, ;
Фиг. 35-19. Кривые чувствительности кис-
лородно-цезиевого (2) и сурымяно-цезиевого i
фотоэлементов (4), человеческого глаза (3) J
и кривая пропускания красного светофиль- j
тра (/)
поскольку поправка зависит не только от ‘
свойств излучателя, но и от спектральной ха- ;!
рактеристики фотоэлемента. ?
Для учета поправок на неполноту излуче- ’
ния иногда прибегают к поверке пирометра по J
одной точке. При установке фотоэлектрическо- I
го пирометра на рабочее место производят ре- \
гулировку перемещением диафрагмы таким (
образом, чтобы показания его совпадали с по- t
казаниями образцового оптического пиромет- )
ра, одновременно наведенного на ту же поверх- I
ность объекта измерения. Опыт показывает, :
что в этом случае показания обоих пиромет-
ров совпадают в некотором диапазоне изме-
ряемых температур (однако не по всей шкале).
В показаниях оптического пирометра следует J
учесть его поправку на неполноту излучения (
объекта измерения, если это, конечно, пред-
ставляется возможным. I
На фиг. 35-19 нанесены спектральные ха- i
рактеристики: красного светофильтра (кри- i
вая )), кислородно-цезиевого фотоэлемента)
(кривая 2), сурьмяно-цезиевого фотоэлемента |
(кривая 4) и человеческого глаза (кривая •?).
Из фигуры видно, что красный светофильтр
отфильтровывает значительную часть спектра
кислородно-цезиевого фотоэлемента. Таким об-
разом, заштрихованная площадь фигуры сви-
детельствует о значительной полосе лучей раз-
личных длин волн, попадающих на кислород-
но-цезиевый фотоэлемент, однако глаз реаги-
рует лишь на относительно узкую полосу
спектра, пропущенного красным светофильт-
ром. Это обстоятельство практически лишает
возможности градуировать данный фотоэлект-
рический пирометр по образцовому оптическо-
му пирометру.
А. М. Гуревич, разработавший фотоэлек-
трический пирометр типа ФЭП-3 [Л. 23], пред-
ложил использовать сурьмяно-цезиевый фото-
элемент. Как видно из фиг. 35-19, сурьмяно-
цезиевый фотоэлемент реагирует лишь на уз-
кую полосу спектра, пропущенного красным
светофильтром; при этом спектральный состав
лучей, попавших на фотоэлемент, весьма бли-
зок спектральному составу лучей, восприни-
маемых человеческим глазом, что позволяет
градуировать фотоэлектрический пирометр
с сурьмяно-цезиевым фотоэлементом по образ-
цовому оптическому пирометру.
Следует отметить, что при применении сурь-
мяно-цезиевого фотоэлемента используется
лишь незначительная часть излучения объекта
измерения, что вызывает необходимость в зна-
чительном усилении фототока.
Другой особенностью фотоэлектрического
пирометра ФЭП-3 является применение обрат-
ной связи по световому потоку, что позволило
добиться независимости работы пирометра от
колебания напряжения источника питания и
изменения чувствительности фотоэлемента во
времени, используя лишь один фотоэлемент.
Фотоэлемент F (сурьмяно-цезиевый) пре-
образователя (фиг. 35-20,а) освещается с од-
ной стороны от объекта измерения 1 через
диафрагму 2, с другой стороны — от лампочки
накаливания 3 (через ту же диафрагму). Диа-
фрагма перекрывается колеблющимся якорем
4 поляризованного электромагнита таким об-
разом, что на фотоэлемент попадают синусои-
дально изменяющиеся световые потоки Ф] и
Ф2 обоих источников излучения; при этом фа-
зы обоих потоков сдвинуты точно на 180°
(фиг. 35-21).
Таким образом, переменная составляющая
этого фототока изменяется по синусоидально-
му закону, причем амплитуда его определяет-
ся разностью амплитуд световых потоков от
обоих источников излучения. Полученная пере-
менная (50 гц) составляющая фототока уси-
ливается трехступенчатым усилителем напря-
жения 5 (фиг. 35-20,а), собранным по реостат-
ной схеме на лампах Л} и Л2 (фиг. 35-20,6),
на выходе которого включена фазочувствитель-
Фиг. 35-20. Структурная и принципиальная схемы из-
мерительной цепи фотоэлектрического пирометра
ФЭП-3
ная ступень усиления на лампе Л3 (на
фиг. 35-20,а обозначена цифрой 6).
Для получения фазовой чувствительности
анодная и сеточная цепи лампы Л3 питаются
переменным током от обмоток Wi и w2 транс-
форматора Тр. Напряжение с сопротивления
R2, являющегося нагрузкой лампы Л3, через
сглаживающий фильтр Ri — Ct подается на
сетку лампы Л4, которая работает в качестве
усилителя мощности постоянного тока с катод-
ным выходом на измеритель Г.
Благодаря отрицательной обратной связи
через световой поток лампы накаливания,
включенной в анодную цепь лампы Лц, сумма
световых потоков, падающих на фотоэлемент,
изменяется таким образом, что.ток в измери-
теле практически не зависит от постоянства
характеристик фотоэлемента во времени и от
постоянства напряжения источников питания
измерительной цепи, а определяется только ха-
рактеристикой лампы накаливания 3.
В передней стенке оптической камеры рас-
положена кассета с красным светофильтром 7.
§ 35-8. Цветовые фотоэлектрические
пирометры
На фиг. 35-22 изображена схема цветового
фотоэлектрического пирометра (на принципе
непосредственного измерения отношения фото-
Фиг. 35-22. Схема фотоэлектрического
цветового пирометра А. А. Соколова
токов), разработанного А. А. Соколовым
[Л. 75]. Каждый из фототоков создает падение
напряжения ((Д и 172) на сопротивлениях
и /?2- Отношение U\HJ2 является, следователь-
но, функцией отношения интенсивностей излу-
чения, воспринимаемых фотоэлементами, а сле-
довательно, функцией измеряемой температу-
ры излучателя.
Измерение отношения U\IU2 производится
по методу динамической компенсации. Сущ-
ность этого метода, предложенного Ф. Е. Тем-
никовым, сводится к следующему. Электро-
двигатель D вращает с постоянной скоростью
в одном и том же направлении движок рео-
хорда /?2. При этом напряжение U'2 между
движком и точкой а в течение каждого обо-
рота плавно изменяется от 0 до U2. При усло-
вии, что t/2 >t7i и что U2 направлено
навстречу U\, при каком-то положении движка
реохорда будет иметь место равенство U2 =
— U\. Нулевое реле, включенное в цепь этих
напряжений, в момент, когда U2 = U\, посы- •
лает импульс тока измерителю, отмечающему J
момент получения импульса в масштабе угла J
поворота движка реохорда, при котором он ;
получил импульс тока. ’
Нулевым реле может служить, например, f
гальванометрическое реле или ламповое реле J
(с усилителем). Основными требованиями к по- ;
добному реле являются возможно более низ- j
кий порог чувствительности и возможно' мень- '
шая инерция. j
Устройство преобразователя фотоэлектри- ;
ческого пирометра с двумя фотоэлементами !
схематически изображено на фиг. 35-23. По- ;
б ? f
4- Г(БЕ5)
Фиг. 35-23. Устройство преоб-
разователя фотоэлектрического
цветового пирометра с двумя j
фотоэлементами ;
ток лучей от объекта измеряемой температу- I
ры воспринимается объективом визирной труб- ;
ки 1 и проходит к полупрозрачному зеркалу 2 :
из слабо позолоченного стекла. Часть лучей 1
проходит через зеркало 2 к светофильтру 3 и i
фотоэлементу /А; часть же лучей отражается j
от зеркала 2 и направляется к светофильтру 4 I
и фотоэлементу F2.
Через окно 5 при помощи зеркал 2 и б
можно видеть объект измеряемой температу- {
ры, а при помощи зеркала 7 — свет от элект- 5
ронно-лучевого нулевого прибора Г (6Е5), j
служащего указателем равновесия цепи. '
Пирометр пригоден для измерения темпера- >
•тур свыше 1000° С; погрешность измерения до- <
стигает + 10° С. <
Фотоэлектрический цветовой пирометр J
ЦП-2, разработанный А. Е. Кадышевичем и ]
Я. И. Мерсоном, выполнен с логометром в ка- «
честве измерителя отношения фототоков, про- (
порционального отношению интенсивностей из- J
лучения красных и зеленых лучей. Однако опи- !
сываемый пирометр имеет лишь один фото- ?
элемент и один канал усиления. I
Излучение объекта измерения 1 (фиг. 35-24)
попадает на фотоэлемент F через оптическую 5
систему 2 и обтюратор 3, вращаемый электро- j
двигателем 4. Обтюратор выполнен в виде ди-
ска с отверстиями; половина отверстий закры-
та красным светофильтром СФг, а половина
отверстий синим светофильтром СФ2. Таким
образом, при вращении обтюратора на фото-
элемент попеременно попадает излучение через
красный и синий светофильтры. Импульсы фо-
Фиг. 35-24. Структурная схема фотоэлектрического
одноканального цветового пирометра ЦП-2
тотока, пропорциональные интенсивностям
красных и синих лучей в спектре объекта из-
мерения, усиливаются одним и тем же усили-
телем Ус, выпрямляются одним и тем же вы-
прямителем Вп, после чего посредством ком-
мутатора попадают на рамки логометра Л.
Коммутатор работает от электродвигателя
4, вращающего обтюратор. Таким образом,
коммутатор работает синхронно с вращением
обтюратора и осуществляет разделение им-
пульсов фототока; импульсы фототока, про-
порциональные интенсивности красных лучей,
попадают на одну рамку логометра, а импуль-
сы фототока, пропорциональные интенсивности
синих лучей, попадают на вторую рамку
логометра. Отклонение логометра, являющееся
функцией отношения средних значений токов,
в рамках, будет, следовательно, функцией от-
ношения интенсивностей красных и синих лу-
чей в спектре объекта измерения, т. е. функ-
цией его температуры.
Благодаря использованию одного фотоэле-
мента и одного канала усиления описываемый
пирометр свободен от погрешностей, обуслов-
ленных колебаниями напряжения источников
питания схемы, а также непостоянством харак-
теристик фотоэлемента во времени.
Раздел седьмой
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ
ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД
Настоящий раздел охватывает обширную
группу приборов для качественного и количе-
ственного анализа жидких и газовых сред,
включая и приборы для измерения влажности,
т. е. приборы для измерения концентрации во-
ды в твердых телах и концентрации пара в га-
зовой среде. Описываемые приборы получили
широкое применение для контроля и регули-
рования самых разнообразных технологических
процессов в промышленности — текстильной,
пищевой, кожевенной, гидролизной, химиче-
ской и др.
Приборы, рассмотренные в этом разде-
ле, в основном используют преобразовате-
ли, теория которых изложена в первой части
книги.
Глава тридцать шестая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНЦЕНТРАТОМЕТРЫ НА ПРИНЦИПЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
В § 6-1 была изложена теория анализа со-
става водных растворов методом электропро-
водности. В настоящей главе рассмотрено не-
сколько типичных приборов, использующих
этот метод. Рассматриваемые приборы нашли
особенно широкое применение для измерения
концентрации солей в воде и паре (конденса-
те) паросиловых установок. В этом случае по-
добные приборы часто называют соленоме-
рами.
§ 36-1. Соленомеры
Соленомеры служат для измерения кон-
центрации солей в конденсате и питательной
воде различных паросиловых установок.
На фиг. 36-1 изображено устройство сдво-
енного преобразователя соленомера ЦКТИ для
контроля концентрации NaCl в конденсате:
одновременно с двух точек отбора, а на
фиг. 36-2 — измерительная цепь соленомера.
Преобразователь состоит из двух металли-
ческих сосудов. Внутренняя поверхность ци-
линдра 1 служит одним электродом; вторым
электродом является наружная поверхность
металлической гильзы 2, внутри которой поме-
Фиг. 36-1. Соленомер ЦКТИ
щается медное сопротивление 3 (R6 на схеме
фиг. 36-2) для температурной компенсации.
Гильза 2 изолирована от стенок цилиндра 1
эбонитовой втулкой и резиновыми проклад-
ками.
В верхней части преобразователя располо-
жена панель из изоляционного материала, на
которой помещены выводы обоих цилиндров и
сопротивления 4 из манганина, входящие в схе-
му температурной компенсации (/?& на
фиг. 36-2). На той же панели помещаются
(на фиг. 36-1 не показаны) катушки по 5 ом,
служащие для подгонки сопротивления линии
до значения, равного 5 ом (принятого при гра-
дуировке приборов), и контрольные катушки
по 2630 ом, служащие для замещения одного
из преобразователей в случае отключения по-
следнего, а также при поверке напряжения
источника питания цепи; сопротивление
Фиг. 36-2. Схема измерительной цеп.,
соленомера ЦКТИ
2630 ом эквивалентно сопротивлению преобра-
зователя при номинальном значении измеряе-
мой концентрации, т. е. при 8 мг/л (шкала со-
леномера градуирована в единицах мг
NaCl/л).
Температурная компенсация сопротивления
электролита (фиг. 36-2) осуществляется,
как выше было указано, сопротивлениями
(из манганина) и Re (из меди). Теория этой
схемы рассмотрена в § 6-2. Значения Rs и Re
рассчитаны на компенсацию температуры в пре-
делах от 20 до 50° С.
Цепь прибора представляет
собой неуравновешенный оди-
нарный мост (Ri, R2, Rs, плечо
АВ), питаемый от сети пере-
менного тока (через бареттор
для стабилизации тока, на схе-
ме не показанный). В измери-
тельную диагональ моста вклю-
чен через меднозакисный вы-
прямитель регистрирующий
магнитоэлектрический милли-
амперметр Г.
Соленомер с температурной компенсацией
nyteM включения компенсирующего сопротив-
ления в цепь моста. На фиг. 36-3 показано
устройство преобразователя, а на фиг. 36-4 —
измерительная цепь соленомера.
Один из электродов выполнен в виде ци-
линдра 1 из нержавеющей стали с отверстиями
для пропуска электролита.' Вторым электродом
является стержень 2, также из нержавеющей
стали. Катушка 3 из медной проволоки, намо-
танной на латунный цилиндр, служит для тем-
пературной компенсации сопротивления элект-
ролита; она укреплена в цоколе 4 преобразо-
вателя. В этот же цоколь ввинчивается и на-
ружный электрод 1.
Внутренний электрод 2 изолирован от элек-
трода 1 фарфоровыми втулками 5 и 6 и ввин-
чивается в цоколь при помощи гайки 7. На
Фиг. 36-4. Схема соленомера с температурной компенса-
цией путем включения компенсирующего сопротивления
в цепь моста
цоколь навинчивается сверху головка 8, в ко-
торой укреплена колодка с зажимами. Выводы
в измерительную цепь проходят через втулку
9. Головка закрыта крышкой 10.
Электроды и компенсационное сопротивле-
ние помещены в герметический кожух 11,
снабженный двумя патрубками для ввода и
отвода электролита. Гайка 12 и прокладка 13
служат для герметизации преобразователя.
Сопротивление электролита в преобразова-
теле при номинальном показании и темпера-
туре 10° С равно 330 ом. «
Описываемый соленомер использует темпе-
ратурную компенсацию по методу, рассмотрен-
ному в § 6-2.
Сопротивление (фиг. 36-4) включено па-
раллельно преобразователю . Сопротивле-
ние RK из медной проволоки для компенсации
температурной погрешности сопротивления
электролита включено в плечо моста, обра-
зованного сопротивлениями RK, R\, R2, R3.
Измерителем является магнитоэлектриче-
ский прибор Г с электромагнитным выпря-
мителем ЭВ, катушка возбуждения кото-
рого питается через сопротивление 7?i3 от
стабилизатора напряжения. Последний питает
также узел цепи для компенсации началь-
ного отклонения измерителя при нулевой кон-
центрации испытуемого электролита (см. §6-2).
Этот узел цепи представляет собой мост, два
плеча которого образованы автотрансформато-
ром АТр, третье плечо — манганиновое соп-
ротивление Т?8, а четвертое плечо—сопротивле-
ние Д;, с параллельно приключенным к нему
преобразователем. От измерительной диагона-
ли аб этого моста питается мост RK, Rt, R2,
Rs. Когда Rx равно начальному значению,
мост с автотрансформатором АТр уравновешен
и напряжение на вершинах аб его измери-
тельной диагонали равно нулю. Следователь-
но, мост RK, Rt, R2, R3 не получает питания
и ток в измерителе Г равен нулю.
Сопротивление Т?]4 предназначено для ре-
гулировки конечного отклонения измерителя.
Сопротивления 7?6, R-, /?1о, 7?ц и R,2 служат
для подгонки сопротивления линий к преобра-
зователю (R ) и к компенсирующему сопро-
тивлению (RK) до значения, принятого при
градуировке прибора, т. е. до 5 ом.
Подгонка сопротивлений линий осуще-
ствляется следующим образом. Сначала под-
гоняется сопротивление линии к для этого
соединяют накоротко зажимы 4' и 7, а также
зажимы V и 5. Тем самым вместо RK вклю-
чается сопротивление равное значению RK
при температуре градуировки прибора, а вме-
сто Rx включается сопротивление 7?ц, равное
значению сопротивления преобразователя (/?ж),
отвечающего красной отметке на шкале из-
мерителя. Сопротивление являющееся до-
полнительным к сопротивлению линии, под-
гоняется до получения отклонения стрелки
измерителя на краснею отметку, что будет
соответствовать R,,-^RiUH~o ом. После этого
необходимо подогнать катушку Т?12 таким об-
разом, чтобы ее сопротивление плюс сопро-
тивление линии равнялось 5 ом. Для этого
снимают перемычку с зажимов Г—5 и замы-
кают накоротко зажимы V и 6; тем самым
вместо /? включается сопротивление 7?10,
также равное сопротивлению Rx, соответ-
ствующему красной отметке на шкале изме-
рителя. При подгонке катушки /?12 зажимы
4' и 7 остаются замкнутыми накоротко; после
подгонки катушек и А?12 перемычки сни-
маются, зажимы 4—4', 1—Г и 2—2' соединя-
ются, и прибор готов к работе.
Опыт работ ЦКТИ [Л. 53] по измерению
концентрации солей в конденсате свидетель-
ствует, что показания соленомеров в значи-
тельной степени зависят от присутствия раст-
воренных газов в конденсате охлажденного па-
Фиг. 36-5. Холодильник дегазационного типа
ра, главным образом от содержания раство-
ренных углекислого газа и аммиака. Солено-
меры работают при этом с положительной по-
грешностью (дают завышенные показания),
достигающей 100% и выше.
Для уменьшения этой погрешности
А. А. Мостофин разработал холодильник дега-
зационного типа, в котором удаляются угле-
кислый газ и значительная часть аммиака,
а также методику введения поправок к пока-
заниям соленомера на остаточный аммиак.
Устройство холодильника дегазационного
типа для работы на насыщенном или влажном
паре давлением до ПО кПсм2 показано на
фиг. 36-5. Проба пара поступает в вертикально
расположенную цилиндрическую дегазацион-
ную камеру 1. Для очистки пара от случайных \
механических примесей во входном штуцере i
установлено паровое сито 2 из кислотоупорной
стали с мелкими отверстиями. ?
Парозаборное устройство расположено вы-
ше дегазационной камеры. Трубка, подводя- j
щая пар от заборного устройства к дегазатору, ;
и сама камера не покрыты теплоизоляцией, I
вследствие чего пар в них охлаждается, кон- (
денсируется и стекает в нижнюю часть каме- ?
ры, откуда он поступает в расширитель 3 че-
рез гидравлическое сопротивление 4 и конден-
сатное сито 5. *
Газы скапливаются в верхней части каме- ;
ры, откуда они удаляются непрерывной про- (
дувкой пара, поступающего через гидравличе- j
ское сопротивление (дроссель) 6.
Часть конденсата (примерно 25%) в рас-
ширителе испаряется и через отверстие 7 ухо- \
дит в атмосферу, что способствует удалению 1
оставшихся в конденсате газов. Остаток пробы >
в количестве около 10 кг!час при температуре
100° С направляется к преобразователю через 1
патрубок 8.
Все детали, соприкасающиеся с пробой па- \
ра, выполнены из нержавеющей кислотоупор- <
ной стали (марки ЭЯ-2 и ЭЯ-1Т). ;
При выходе в расширитель температура »
конденсата падает до 100° С и при этой темпе- !
ратуре конденсат стекает в преобразователь. !
Преобразователь соленомера, разработан- :
ного А. А. Мостофиным, изображен на i
фиг. 36-6. Он имеет два цилиндрических элек- {
трода 1 и 2. Конденсат из дегазационной ка- ;
меры попадает сначала в сепаратор <3, в кото- <
ром прошедший в преобразователь пар отДе- (
ляется и заполняет паровую рубашку, омы- J
вающую наружный электрод 1, после чего ухо- i
дит через трубку 4.
Пар поддерживает температуру конденсата [
равной 100° С, что освобождает от необходи- :
мости вводить в измерительную цепь прибора ?
узел компенсации температурной погрешно- (
сти. *
Электроды изготовляются из кислотоупор- ?
ной стали MapKif ЭЯ-IT и центрируются друг >
относительно друга карболитовыми изолятора- j
ми 5 и 6. Соединения карболитовых изолято- •
ров с электродами уплотнены резиновыми про- j
кладками 7 и 8, а соединение наружного элек- i
трода с корпусом преобразователя — свинцо- !
вой прокладкой 9. Оба электрода снабжены
выводами 10.
* Первые модели соленомеров ЦКТИ, также раз-
работанные А. А. Мостофиным, имели температурную i
компенсацию [Л. 53].
Пройдя между электродами, конденсат по-
падает в сливной бачок 11, откуда он удаляет-
ся через пробку 12. Подпор, создаваемый слив-
ным бачком, обеспечивает заполнение меж-
электродного пространства • конденсатом. Сна-
ружи преобразователь покрыт теплоизолирую-
щим экраном 13.
Фиг. 36-6. Преобразователь соленомера ЦКТИ
(новая модель)
Постоянная приемника С (см. § 6-1) равна:
r _ In D!d 1п4,2/3,4 _ о 1П-з 1
2л/ 2л-16,8 см ’
где I — длина активной части электродов;
D — внутренний диаметр наружного элек-
трода;
d — наружный диаметр внутреннего элек-
трода.
Описываемый соленомер выпускается в двух
модификациях измерительной цепи.
Одна модификация представляет собой не-
равновесный мост переменного тока, парал-
лельно одному из плеч которого приключается
преобразователь. Измерителем является маг-
нитоэлектрический самопишущий прибор на
три точки измерения, включенный через элек-
тромагнитный (вибрационный) выпрямитель.
Вторая модификация представляет собой
автоматический мост, выполненный на базе
моста типа СМ (с электромеханической сле-
дящей системой), в котором магнитоэлектри-
ческий гальванометр заменен ферродинамиче-
ским.
Как показал опыт работы с холодильни-
ком-дегазатором, в конденсате, поступающем
в преобразователь, все же остается некоторое
количество аммиака. Кроме того, при темпе-
ратуре раствора, равной 100° С, необходимо
учитывать электропроводность самой воды, тем
более, что общая проводимость раствора бла-
годаря дегазации резко снижается, что увели-
чивает относительное значение проводимости
воды.
Величина удельной электропроводности хи-
мически чистой воды при температуре 100° С
равна:
Хн о = 0,78-10-6 .
н2о (юо с) ом-см?
Теоретические расчеты электропроводности
раствора аммиака при температуре- 100С°
приводят к выражению:
^nh,oh (ioo°c) ”— 17,72 j/pNHj-f-0,0575
где pNH — весовая концентрация аммиака
в мг/л.
Таким образом, исследовав содержание ам-
миака в конденсате, можно ввести поправку
на его электропроводность, после чего подсчи-
тать содержание NaCl, точнее, условное содер-
жание солей по NaCl.
Отбор пара. При отборе пара из паропро-
вода существенно важно, чтобы проба пара
была взята по всему сечению трубопровода,
ибо скорость и влажность пара неодинаковы
по сечению. Взятый из одной точки сечения
трубопровода пар не будет характеризовать
среднюю пробу пара в отношении солесодер-
жания, поскольку как от влажности, так и от
скорости пара зависит количество растворен-
ной соли в электролите, протекающем через
преобразователь (при определенном расходе
электролита в единицу времени).
На фиг. 36-7 показаны две применяемые
конструкции зондов, обеспечивающие отбор
пара по всему сечению трубопровода [Л. 53].
На фиг. 36-7,а показан многососковый зонд,
состоящий из штуцера 1 с фланцем и труб-
кой 2 соскового типа. Игольчатый вентиль 3
позволяет регулировать количество отбирае-
мого пара в единицу времени (обычно 15—
20 кг/час).
На фиг. 36-7,6 показан щелевой зонд, пред-
ставляющий собой штуцер 1 с фланцем со
вставленной в него трубкой 2, снабженной
щелями.
§ 36-2. Концентратометры для измерения
концентрации кислот и щелочей
В качестве примера опишем устройство кон-
центратометра, разработанного в Центральном
научно-исследовательском институте хлопча-
тобумажной промышленности (ЦНИИХБП),
Фиг. 36-8. Преобразователь концентрато-
метра для измерения загрязненных рас-
творов щелочей и кислот
предназначенного для измерения сильно за-
грязненных растворов щелочей и кислот в от-
делочных цехах текстильных фабрик [Л. 8].
Преобразователь описываемого прибора
конструкции В. А. Трапезникова изображен на
фиг. 36-8. В эбонитовом цилиндре 1 смонтиро-
ваны четыре графитовых электрода 2; они рас-
положены радиально и соединены попарно
крест-накрест. Электроды 2 и выводы 3 залиты
свинцом 4. На штуцер 5 надевается резиновый
шланг. Сопротивление из меди для темпера-
турной компенсации помещается в трубке 6 из
нержавеющей стали.
Преобразователь погружается непосред-
ственно в исследуемый раствор. Опыт исполь-
зования подобных преобразователей в тек-
стильной промышленности показал, что они
хорошо работают в наиболее загрязненных
средах, и что сопротивление между электрода-
ми в растворе практически не зависит от коле-
баний его уровня, что для погружаемых пре-
образователей крайне важно.
Фиг. 36-9. Схема измерительной
цепи концентратометра с само-
уравновешивающимся мостом
Описанный преобразователь был использо-
ван в цепи автоматического моста (типа СМ),
работающего на переменном токе с ферроди-
намическим указателем равновесия (фиг. 36-9).
Цепь моста питается от зажимов сопро-
тивления Rc, включенного последовательно-
с обмоткой возбуждения измерителя от вто-
ричной обмотки разделительного трансформа-
тора. Одно из плеч моста (/?4) представляет
собой преобразователь с рассмотренной уже
выше схемой температурной компенсации,
состоящей из сопротивления медной прово-
локи, включенного последовательно с преоб-
разователем* и сопротивления из манганиновой
проволоки, включенного параллельно преобра-
зователю. Сопротивления Rlt R2 и R3 из ман-
ганина представляют собой три остальных
плеча моста. Реохорд R и подгоночный
шунт Rut к нему включены между плечами
и /?2. Сопротивление Ra используется при
подгонке сопротивления R? до значения, при
котором сопротивление линии плюс R равно
5 ом.
Рамка ферродинамического указателя рав-
новесия Г включена в измерительную диаго-
наль моста. Параллельно рамке включен узел
схемы с активными сопротивлениями (Rg, Rr,
Rf. и катушки Xk), предназначенный для ре-
гулировки ферродинамического измерителя на
необходимую чувствительность и для уста-
новки нуля (реостатом Rr) при начальном зна-
чении концентрации.
Г лава тридцать седьмая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ рН-МЕТРЫ
В § 16-1 —16-5 были рассмотрены теорети-
ческие основы анализа жидких растворов ме-
тодом электрических потенциалов по величине
водородного показателя pH. Там же были из-
ложены и принципы действия основных элект-
родов, применяемых при измерении pH: водо-
родного, хингидронного, сурьмяного и стеклян-
ного. В настоящем параграфе рассмотрены
устройство некоторых pH-метров и практи-
ческие вопросы их использования.
§ 37-1. pH-метр с сурьмяным электродом
Сурьмяный электрод принадлежит к элек-
тродам с окислительно-восстановительным по-
тенциалом. Этот электрод представляет собой
либо литой сурьмяный стержень, либо плати-
новую проволоку, покрытую электролитиче-
ским слоем сурьмы.
Принцип действия сурьмяного электрода
основан на взаимодействии между электродом
из. чистой сурьмы и трехокисью сурьмы Sb2O3.
Активной массой является Sb2O3; последняя
всегда содержится в сурьме, по внешнему виду
кажущейся совершенно блестящей.
Теория [Л. 80] показывает, что потенциал,
возникающий на сурьме, подчиняется уравне-
нию (16-5), или, как говорят, обладает водо-
родной функцией. Практически, однако, зави-
симость потенциала сурьмяного электрода от
pH отклоняется от теоретической, поэтому гра-
дуировку прибора производят эксперименталь-
но, по буферным растворам.
Экспериментально найденная зависимость
потенциала сурьмяного электрода относительно
нормального каломельного электрода от вели-
чины pH дана в табл. 37-1.
Для того чтобы иметь возможность приме-
нять этот электрод в растворах, окисляющих,
разъедающих или покрывающих электрод про-
дуктами разложения электролита, сурьмяный
Таблица 37-1
Потенциал сурьмяного электрода, мз
1,05
3
4
5
6
7
8,24
9,36
11,3
12,25
13,2
по Кольтгофу
по Жукову
89
190
236
232
327
374
457
512
616
660
741
65
168
221
273
325
378
444
503
604
665
704
электрод подвергается непрерывной механиче-
ской очистке.
На потенциал сурьмяного электрода влияет
присутствие в воде растворенных кислорода и
углекислого газа, а также восстановительная
и окислительная среда, что ограничивает об-
ласть применения этих электродов диапазоном
значений pH от 2 до 12.
Температурная зависимость потенциала
сурьмяного электрода весьма сложна. Темпе-
ратурный коэффициент, найденный различны-
ми исследователями, колеблется от 1,3 до
3,3 мв на 1° С. Некоторые авторы указывают
на возможность измерения pH сурьмяным
электродом при температурах от 0 до 100° С,
при условии учета температурной погрешности.
На фиг. 37-1 показаны кривые зависимости
Е=:=/(рН) при различных температурах, полу-
ченных для сурьмяного электрода [Л. 7].
Точность измерения pH сурьмяным электро-
дом можно оценить абсолютной погрешностью
порядка 0,05—0,5 pH. Большая точность имеет
место при измерении значений pH от 2 до 7 и
меньшая — при измерении значений pH от 7
до 12.
На фиг. 37-2 показан погружаемый сурьмя-
ный электрод [Л. 7]. Снизу корпуса 1, к по-
следнему прикреплен сурьмяный стержень 2
длиной 12 мм и диаметром 12 мм с припаян-
Фиг. 37-1. Кривые зависимости £=((рН)
сурьмяного электрода при раз-
личных температурах
стержень впрессован в бакелитовый цилиндр,
оканчивающийся в своей верхней части штуце-
ром с шестигранной головкой. В нижней части
бакелитового цилиндра сурьмяный электрод
выступает на 3 мм наружу. Параллельно сурь-
мяному электроду к нижней стенке корпуса
Фиг. 37-2. Погружаемый
сурьмяный электрод
прикреплены также каломельный полуэлемент 3
и термосопротивления 4 и 5 по 200 ом каж-
дое, служащие для компенсации температур-
ной погрешности потенциала электрода.
Термосопротивления помещены в мельхио-
ровой, никелированной защитной арматуре.
К корпусу прикреплена колодка 6 с зажимами.
Гибкий шланг 7 соединяет электрод с измери-
тельной цепью. Электрод погружается в испы-
туемую жидкость так, чтобы корпус 1 был над
жидкостью. Для установки на трубопроводе
этот преобразователь не годится.
Измерительной цепью является автомати-
ческий компенсатор (типа СП), используемый
по принципиальной схеме, изображенной на
фиг. 37-3. Одно из термосопротивлеиий (Rn)r
предназначенных для температурной компен-
Фиг. 37-3. Принципиальная схема измери-
тельной цепи автоматического компенсато-
ра с сурьмяным и каломельным полуэлемен-
тами
сации, является плечом моста 2?] Т?2,
а второе (R,9)—плечом моста R> R3 R2Rt2. Из-
меряемая э. д. с. Ег уравновешивается раз-
ностью потенциалов между точками А и В.
При изменении Ех (обусловленном измене-
нием концентрации испытуемого раствора)
следящее устройство компенсатора переме-
щает движок реохорда R до тех пор, пока
разность потенциалов UAB не станет равной
новому значению Ех. Э. д. с. Ех преобразо-
вателя pH-метра зависит от э. д. с. Е элек-
трода, опущенного в испытуемый раствор,
которая [см. уравнение (16-5)] равна:
В этом выражении Ео также является
функцией температуры. Экспериментальное
исследование зависимости pH от температуры t
и измеренного значения Ех, для pH-метра с сурь-
мяным и каломельным полуэлементами, при-
водит к следующему выражению [Л. 7]:
__Ех~^~а—
“Г
Для описываемого pH-метра а — 44,8, у —
— 2,48, Во-=51,1 и а — 0,14.
Напряжение UAB можно представить как
ав & св UCA Uсв I с С А'
где UCB — напряжение на измерительной диа-
гонали моста RxR3R2Rf2, а 1СА—ток в изме-
рительной диагонали CD моста.
При равновесии имеем:
Ex = Uab,
или
ЕХ = ^СВ ^СА^С.А’
откуда
„ _-Ex + UCB
*СА ~ ‘са
Если сопоставить это уравнение с выше-
приведенным уравнением для pH, то мы видим,
что положение движка реохорда, т. е. RCA,
будет соответствовать значению pH и не за-
висеть от температуры только в том случае,
если UCB будет изменяться в зависимости
от Rj2 пропорционально (у/ — а), а ток 1СА бу-
дет изменяться в зависимости от Rtx пропор-
ционально (В0-4-а/). Эти условия и положены
в основу расчета элементов обоих мостов:
RxR2Ri2R3 и RiR2RixR3.
Сопротивления гш и гд, включенные парал-
лельно и последовательно реохорду, позво-
ляют отрегулировать прибор на необходимый
предел измерения.
§ 37-2. pH-метр со стеклянным электродом
В качестве примера ниже приводится опи-
сание pH-метра со стеклянным электродом,
разработанного в Центральном научно-иссле-
довательском институте хлопчатобумажной
промышленности (ЦНИИХБП) Л. И. Белень-
ким и Л. Б. Розман [Л. 9].
Преобразователь этого pH-метра изобра-
жен на фиг. 37-4. Шарообразная мембрана 1
толщиной 0,1 мм выдута из двойной трубки 2
натриевого стекла. Пространство между труб-
ками заполнено спиральной металлической
проволокой, выполняющей функции экрана от
электростатических полей (что весьма важно
при работе с ламповыми измерительными це-
пями, имеющими большое входное сопротивле-
ние; ом. § 19-3). Проволока соединена с латун-
ным патроном 3. Контакт с внутренней поверх-
ностью электрода осуществляется хингидрон-
ным электродом (в последней модели вместо
хингидронного электрода использован хлоро-
серебряный микроэлектрод).
Образцовым полуэлементом является кало-
мельный электрод с насыщенным раствором
КС1. Принципиальная схема из-
мерительной цепи описываемо-
го pH-метра изображена на
фиг. 37-5 и представляет собой
мост, два плеча которого обра-
зуют лампы <Z7i и Л2 (6Ж7 в
триодном включении), а два
других плеча — постоянные со-
противления Rx и R2 и пере-
менное сопротивление R$.
В диагональ моста включен
гальванометр . высокого сопро-
тивления, постоянная которого
равна 2,5 • 10-7 а/мм. Лампы
работают при пониженном
анодном напряжении (порядка
50 в). Это анодное напряжение
стабилизировано неоновым ста-
билизатором Ст (типа 1О5С-ЗО).
Измеряемая э. д. с. преобразо-
вателя включается между сет-
ками ламп Л\ и Л2 (положе-
ние переключателя П на кон-
такте 3).
Фиг. 37-4.
Стеклянный
электрод
Для достижения точности измерения в 0,1'
pH, величина сеточного тока при столь высо-
ких сопротивлениях стеклянного электрода не
Фиг. 37-5. Схема ламповой измерительной цепи рН-метра'
с компенсацией сеточного тока
должна превышать КС12 а. Сами лампы 6Ж7,
естественно, не могут обеспечить столь малых
сеточных токов, поэтому в рассматриваемой
цепи предусмотрена компенсация сеточного*
тока ламп при помощи сопротивлений Rs, Re
и Rt.
Действие цепи компенсации сеточного тока
сводится к следующему. Измерительный мост-
с лампами (обозначим его через Дэ) сам яв-
ляется плечом моста питающегося
от вершин А и В. При положении переклю-
чателя П на контакте 7, когда сетка лампы Л2
отключена, измерительной диагональю моста
7? /?5/?6/?7 является сопротивление между точ-
ками Л1 и Л/, т. е. сопротивление сетка —
катод лампы Л у. Перемещая движок сопро-
тивления R{ (вершина N), можно добиться
равновесия моста R3R5R6R7, т. е. отсутствия
сеточного тока в лампе Л у. Если перед урав-
новешиванием моста RaR-aR6R7 уравновесить
основной мост ЛуЛ^^2 (при положении пере-
ключателя П на контакте 2, т. е. когда сетки
обеих ламп соединены с землей) с помощью
реостата /?3, то при последующем уравнове-
шивании моста RaR-J?R7 мы будем иметь ра-
венство нулю сеточных токов обеих ламп.
Регулировка чувствительности измерителя
осуществляется при помощи реостата R&, пу-
тем последовательного измерения э. д. с. пре-
образователя в двух буферных растворах (на-
пример с pH = 7,0 и pH = 4,0).
Регулировку прибора по буферным раство-
рам желательно проводить при той же темпе-
ратуре этих растворов, которую имеют испы-
туемые растворы. В противном случае не-
обходимо вводить поправку на температуру
стеклянного электрода, экспериментально опре-
деленную для стеклянных электродов описы-
ваемого pH-метра (к прибору прилагается но-
мограмма для расчета этих поправок).
Выпускаются приборы с двумя модифика-
циями схемы фиг. 37-5; одна из них позволяет
измерять pH по нулевому методу с точностью
до +0,03 pH (+2 л/e); вторая схема предназ-
начена для автоматической записи pH с точ-
ностью до +0,1 pH. Предел измерения описы-
ваемого pH-метра от 0 до 12 pH.
§ 37-3. Градуировка pH-метров. Буферные
растворы
Градуировку pH-метров производят по об-
разцовым буферным растворам.
Буферными растворами называют раство-
•ры, значение pH которых устойчиво, т. е. мало
изменяется при добавлении в раствор кислот
и оснований, что позволяет использовать их
в качестве образцовых растворов.
К буферным растворам принадлежат рас-
творы слабых кислот с одной из солей этой ки-
слоты, а также растворы слабых оснований
с одной из солей этого основания.
Рассмотрим в качестве примера раствор
уксусной кислоты с уксуснокислым натрием.
Значение pH такого раствора определяется
ионами Н+, получившимися при растворении
уксусной кислоты. Если теперь в этот раствор
добавить, например, такую сильную кислоту,
как соляная кислота, то при растворении по-
следней добавочных водородных ионов не воз-
никнет, так как соляная кислота вступит в ре-
акцию с частью уксуснокислого натрия, обра-
зуя при этом уксусную кислоту и поваренную
соль. Реакция происходит по схеме:
СНзСОО-—Н+ СН3СОО-—Na+ + НС1->
Уксусная кислота Уксуснокислый натрий Соляная
кислота
Исходный буферный раствор
-► СН3СОО-— Н + СНзСООNa + + NaCl.
Исходная + образо- Уксуснокислый нат- Поварен-
вавшаяся уксусная рий (остаток после ная соль
кислота реакции)
Образовавшийся буферный раствор
Таким образом, как в первоначальном, так
и в получившемся после добавки НС1 буфер-
ном растворе значение pH определяется лишь
концентрацией водородных ионов от слабо
диссоциированной уксусной кислоты и, следо-
вательно, изменяется при добавке НС1 незна-
чительно.
Такая же картина будет при добавке в рас-
сматриваемый буферный раствор такого, на-
пример, основания, как едкий натр. Реакция
будет происходить по следующей схеме:
СН3СОО“— Н+ -р СН3СОО-—Na + д NaOH->-
Уксусная кислота Уксуснокислый Едкий натр
натрий
< . _т---- ' >
Исходный буферный раствор
СНзСОО-— Н+ + СНзСОО--Na + + НОН.
Уксусная кислота Исходныйобразо- Вода
(остаток после вавший^я уксусно-
реакцин) кислый натрий
Образовавшийся буферный раствор
Едкий натр вступает в реакцию с уксусной
кислотой, образуя уксуснокислый натрий и
воду. Значение pH в исходном, и в образо-
вавшемся буферном растворе определяется
лишь концентрацией водородных ионов, обус-
ловленных диссоциацией уксусной кислоты,
так как NaOH расходуется на образование
слабо диссоциирующего уксуснокислого на-
трия.
Для характеристики изменения значения
pH буферных растворов отметим, что добавле-
ние в 1 л раствора уксусной кислоты и уксус-
нокислого натрия 1 см? 0,01 W соляной кислоты
изменяет значение pH на 0,01 единицы pH.
Если бы этот 1 сл3 соляной кислоты добавить
в чистую воду (рН=7), то значение pH изме-
нилось бы на 2 единицы pH (до рН=5).
Глава тридцать восьмая
ПОЛЯРОГРАФЫ
Физико-химические основы полярографиче-
ского метода качественного и количественного
анализа были приведены в § 7-1. В настоящем
Параграфе описаны примеры устройства поля-
рографов как визуальных, т. е. требующих за-
писи хода вольтамперной кривой самим на-
блюдателем, так и автоматических, в которых
запись вольтамперной кривой производится
либо фотографическим путем, либо пишущим
пером.
§ 38-1. Визуальные полярографы
Распространенными визуальными поляро-
графами являются полярографы типа М-6 и
М-7 Горьковского института химии [Л. 16].
Схема полярографа М-7 показана на фиг. 38-1.
Фиг. 38-1. Схема измерительной цепи полярографа М-7
Ток от питающего аккумулятора, приклю-
ченного к зажимам 1—2, через рубильник /7,
и реостат /?1 проходит по реохорду /?2; реостат
R\ позволяет регулировать падение напряже-
ния на реохорде.
17 А. М. Туричин.
Переключатель /72 позволяет изменять диа-
пазон измеряемой э. д. с. поляризации капель-
ного электрода: от 4-1 до —1 в, от 0 до —2 в,
от 0 до —4 в и от —2 до —4 в; для этого
в цепь реохорда R2 введено четыре сопротив-
ления: R3, Ra, Ris и Rl9.
Чувствительность измерителя (гальвано-
метра), приключаемого к зажимам 5—6, мо-
жет регулироваться рычажным магазином со-
противлений R5—/?16 в пределах от 1/2 до '/2000
от максимальной чувствительности. Рубильник
/73 замыкает накоротко измеритель. Сопротив-
ление Rn ограничивает максимальный ток
в измерителе. Переключатель ГЦ позволяет из-
менять направление тока в вольтметре при пе-
реходе от катодной поляризации капельного
электрода к анодной поляризации электрода.
К зажимам 7—8 может быть включен
внешний вольтметр (вместо вольтметра, мон-
тированного внутри прибора); в этом случае
переключатель ГЦ необходимо выключать, во
избежание шунтирования используемого вольт-
метра.
Трехконтактными реостатами R20 и R2i
в цепи дополнительного источника тока (при-
ключаемого к зажимам 9—10) можно компен-
сировать начальное значение тока, соответ-
ствующее потенциалу восстановления измеряе-
мого иона (см. § 7-2). Подобный «электриче-
ский корректор» представляет значительное
удобство при работе с полярографом. Сопро-
тивление R22 предохраняет измеритель от шун-
тирования слишком малым сопротивлением.
Сопротивления R23—R33, включенные в цепь
дополнительной батареи, предназначены для
компенсации емкостных токов. Сумма вводи-
мых сопротивлений (R23—R33) составляет от
1,5 до нескольких десятков мегом.
Визуальные полярографы обладают одним
недостатком: наличием колебаний указателя
измерителя, обусловленных периодическим из-
менением поверхности ртутной капли при ее
образовании и срыве, вследствие чего ток так-
же периодически колеблется около своего дей-
ствительного значения. Для уменьшения этих
колебаний рекомендуется выбирать измеритель
с возможно большим периодом колебания (не
меньше 10 секунд). Хорошие результаты в борь-
бе с колебаниями записи дает включение па-
раллельно измерителю конденсатора значи-
тельной емкости (электролитические конденса-
торы до 1 000 мкф), представляющего для пе-
ременной составляющей тока в гальванометре
малое сопротивление, благодаря чему колеба-
ния тока сглаживаются.
§ 38-2. Автоматические полярографы [Л. 16]
Наиболее распространенными автоматиче-
скими полярографами являются полярографы
с записью полярограммы на фотобумаге, обер-
нутой вокруг вращающегося барабана, лучом
света, отраженным от зеркальца гальваномет-
ра. Принцип действия подобного автоматиче-
ского полярографа показан на фиг. 38-2.
Электродвигатель 1 вращает барабан 2
с намотанным на нем реохордом и барабан 3
с фотографической бумагой. Лампа 4 освещает
зеркальце гальванометра Г; луч света, отра-
жаясь от зеркальца, падает через щель в фут-
ляре барабана на фотобумагу. Гальванометр
шунтирован сопротивлением R, позволяющим
изменять его чувствительность. Цифрой 5 обо-
значен преобразователь (электролизер с ртут-
ным капельным электродом). Подача ртути
производится из сосуда 6.
Весьма удобно вместо гальванометра ис-
пользовать автоматический компенсатор (осо-
бенно с ламповым следящим устройством).
Ток в преобразователе полярографа изме-
ряется компенсатором по падению напряже-
ния на образцовом сопротивлении, включенном |
последовательно с преобразователем. ?
Если синхронизировать скорость перемеще-1
ния бумаги автоматического компенсатора со |
Фиг. 38-2. Схема устройства
автоматического полярографа
скоростью изменения напряжения на преобра-
зователе, то перемещение пера в направлении,
перпендикулярном движению бумаги, отобра-
зит изменение тока, а перемещение бумаги
отобразит изменение напряжения; в результа-
те на диаграммной бумаге будет вычерчивать-
ся полярограмма.
Глава тридцать девятая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПО
ПОГЛОЩЕНИЮ И РАССЕЯНИЮ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
(КОЛОРИМЕТРЫ, ДЫМНОМЕРЫ)
§ 39-1. Зависимость поглощения
рассеяния лучистой энергии от состава
жидкостей и газов
Если лучи, интенсивность которых /0, па-
дают на какое-либо тело, то часть этих лу-
чей интенсивностью I отразится от поверх-
ности тела, часть лучей интенсивностью 1п
будет поглощена телом и часть лучей интен-
сивностью I пройдет сквозь тело:
;о = /оОТ+4 + ;-
Если жидкость (или газовая смесь), кон-
центрация компоненты которой подлежит из-
мерению, заключена в сосуд с плоскопарал-
лельными стенками (в кювету), то количество
отраженных лучей от поверхности кюветы
с испытуемой жидкостью (или газом) состав-
ляет постоянную долю от /0 и может быть^
исключено или учтено при градуировке при-|
бора. В этом случае можно написать, что j
'о = < + '-
Непосредственно величина 1п не может |
быть измерена, но она может быть опреде-)
лена как разность интенсивностей излучения до|
и после прохождения через объект измере-(
ния (через кювету): |
I
l' = Ia — I. I
/1 и ;
Закон поглощения. Слои вещества одина-
ковой толщины, при прочих равных условиях,
поглощают одну и ту же часть падающих на
них лучей, что аналитически выражается по-
казательной функцией
/х=/охе-^, (39-1)
где /ох и /;— интенсивности монохроматиче-
ского излучения до и после
прохождения через испытуемое
вещество;
х — толщина слоя;
k'— коэффициент поглощения лучей,
зависящий от природы веще-
ства и от длины волны падаю-
щих лучей.
Положив в основание десятичную систему
логарифмов, получим выражение (39-1) в сле-
дующем виде:
A = (39-2)
где k носит название коэффициента погаше-
ния лучей.
Из выражений (39-1) и (39-2) вытекает, что:
1) отношение интенсивности лучей, про-
шедших через вещество, к первоначальной
интенсивности лучей 70Х не зависит от абсо-
лютного значения 70Х;
2) если толщина слоя вещества увеличи-
вается в арифметической прогрессии, то ин-
тенсивность лучей, прошедших через слой,
уменьшается в геометрической прогрессии.
Из уравнения (39-2) имеем, что при /Х/7ОХ =
= 0,1
— 1 = — kx, k = -.
X
Следовательно, коэффициент погашения k чи-
сленно равен обратной величине толщины слоя
вещества, ослабляющего интенсивность про-
ходящих через него лучей в 10 раз.
Для растворов установлен следующий за-
кон:
k — hC, (39-3)
где С — концентрация вещества в растворе;
h — постоянная, зависящая от природы
вещества, длины волны лучей и тем-
пературы.
Таким образом, для растворов имеем:
(39-4)
Величина
К = Ф (39-5)
'О/.
носит название прозрачности или пропускания
вещества. Величина К, отнесенная к единице
толщины слоя, носит название коэффициента
пропускания.
Логарифм величины, обратной пропусканию,
lg-/“ = Ig^ = 7) = ACx (39-6)
носит название оптической плотности вещества.
Из выражения (39-6) видно, что оптиче-
ская плотность D прямо пропорциональна кон-
центрации вещества. Зависимость D = f(C)
выражается прямой линией.
Следует отметить, что нередки случаи, ког-
да для растворов уравнение (39-6) не являет-
ся справедливым. Если имеет место отступле-
ние от этого уравнения, то градуировку сле-
дует производить по образцовым растворам.
Поглощение лучей твердыми частицами.
Если в газе или в растворе имеются взвешен-
ные (дисперсные) твердые частицы (дым, ту-
ман, мутная жидкость), то концентрацию взве-
шенных частиц в газе или жидкости можно
также определять по уменьшению интенсивно-
сти лучей, проходящих через испытуемую
среду.
Если исходить из предположения, что все
твердые взвешенные частицы совершенно не-
прозрачны, одинаковы по величине и имеют
форму шара с радиусом г, то, по аналогии
с уравнением (39-1), имеет место следующее
соотношение между интенсивностями лучей при
входе и выходе из испытуемой среды в направ-
лении падающих лучей:
1'о==1ое-Ск^, (39-7)
где С — концентрация твердых частиц, т. е.
число таких частиц в единице объ-
ема;
х—толщина слоя.
Эффект рассеяния света в мутной среде.
Предположим что лучи проходят через рас-
твор, заполненный частицами (фиг. 39-1).
Если интенсивность падающих лучей обо-
значить через 70, то в направлении, перпенди-
кулярном к падающим лучам, мы будем наб-
людать рассеянный лучистый поток интенсив-
ностью 1р. Когда размеры частиц малы по
сравнению с длиной волны лучистой энергии,
то каждая частица под влиянием лучистой
энергии сама становится источником колеба-
ний, наблюдаемых нами в виде лучистого по-
тока, перпендикулярного падающему лучисто-
му потоку.
Интенсивность потока, возбуждаемого не-
большими частицами, подчиняется уравнению:
, г Л^2
1р — 10П А4 ’
(39-8)
где п — коэффициент пропорциональности;
N — общее число частиц;
V—объем частицы;
2 — длина волны падающих лучей.
Из уравнения (39-8) вытекает, что интен-
сивность рассеянного света прямо пропорцио-
нальна количеству взвешенных частиц, т. е.
Фиг. 39-1. К вопросу о прохождении
лучей через мутную среду
концентрации определяемого вещества (в за-
данном объеме). Отсюда же вытекает, что ин-
тенсивность рассеянных лучей зависит от раз-
меров частиц. Наконец, интенсивность рассеян-
ного лучистого потока резко возрастает
с уменьшением длины волны падающих лучей.
Измерение концентрации взвешенных ча-
стиц можно производить либо по интенсивно-
сти 1р рассеянных лучей, либо по интенсивно-
сти 10 лучей (см. фиг. 39-1), прошедших че-
рез испытуемую среду в направлении падаю-
щих лучей.
§ 39-2. Общая характеристика методов
измерения состава, использующих
поглощение и рассеяние лучистой энергии
Измерение состава по поглощению и рас-
сеянию лучистой энергии возможно различны-
ми методами:
а) по тепловому эффекту, вызываемому лу-
чами, прошедшими через испытуемую среду;
лучеприемниками в этом случае являются
либо термопары, либо термосопротивления; *
б) по интенсивности окраски раствора.
В качественном химическом анализе широ-
ко применяется методика открытия иона по
* К этой же'группе лучеприемников можно отне-
сти оптико-акустическую камеру (см. § 40-3).
окраске, даваемой им со специфическими для
него реактивами. В настоящее время почти для
всех ионов найдены реактивы, позволяющие
открывать их в присутствии многих других
ионов (без отделения исследуемых ионов).
Ряд цветных реакций может быть с успехом
применен и для количественного анализа, если
учитывать интенсивность окраски. Метод ана-
лиза, основанный на сравнении интенсивности
окрасок растворов разных концентраций, назы-
вается колориметрическим. Этот ме-
тод может быть использован двояко: либо пу-
тем субъективного фотометрирования, т. е.
путем сравнения окрасок образцового и испы-
туемого растворов (в этом случае имеем при-
боры чисто оптические, рассмотрение которых
выходит за пределы настоящей книги), либо
при помощи фотоэлементов, что позволяет по-
лучать объективные показания.
Свойством поглощать радиацию той или
иной части спектра обладают также некоторые
газы, что позволяет применить методы и аппа-
ратуру, использующую поглощение лучистой
энергии, и для количественного анализа газов.
Что касается нефелометрических
измерений, т. е. измерений концентрации взве-
шенных частиц в жидкостях и газах, то эти
измерения можно осуществлять как в проходя-
щем свете, так и в рассеянном.
В первом случае обычно используются пре-
образователи, в которых лучистая энергия пе-
реходит в теплоту (термосопротивления, тер-
мобатареи), или фотоэлементы.
Во втором случае метод измерения анало-
гичен колориметрическому и применяется
обычно как субъективный, чисто оптический
метод. Так как интенсивность падающего света
значительно больше интенсивности рассеянно-
го света, то использование объективных мето-
дов измерения рассеянного света требует высо-
кочувствительной аппаратуры.
В качестве рабочего участка показатель-
ной кривой зависимости интенсивности лу-
чей /х на выходе из испытуемой среды от ин-
тенсивности лучей /ох на входе в среду [урав-
нение (39-1)] выбирают наиболее крутой уча-
сток, что соответствует малым концентра-
циям.
Для повышения чувствительности метода
желательно максимально увеличить поглоще-
ние лучей испытуемой средой.
Если различные участки спектра имеют раз-
личные коэффициенты поглощения, то для по-
вышения чувствительности метода желательно
выделить полосу спектра с максимальным по-
глощением в испытуемом веществе. Это дости-
гается применением специальных светофильт-
ров, которые задерживают большую часть из-
лучения, не поглощаемого средой.
§ 39-3. Фотоэлектрические колориметры
Применение фотоэлементов в качестве луче-
приемников позволяет осуществить приборы,
измеряющие состав по интенсивности световых
лучей, как приборы с объективными показа-
ниями.
Используя прямолинейный участок свето-
вых характеристик фотоэлементов, имеем для
двух фотоэлементов, один из которых воспри-
нимает весь лучистый поток, а другой воспри-
нимает лучистый поток после поглощения ча-
сти его в кювете с испытуемым веществом:
(39-9)
‘о ‘о
где i0 и i—фототоки;
/0 и I—интенсивности световых потоков
до и после поглощения.
На основании уравнений (39-9) и (39-6)
можно написать:
или
lg А> — 1g1 = hCx = 1g г’о — 1g i-
Таким образом, разность логарифмов фото-
токов равна оптической плотности D и прямо
пропорциональна концентрации поглощающе-
го вещества. При больших концентрациях на-
блюдаются отклонения от уравнения (39-3),
а следовательно, и от прямой пропорциональ-
ности между оптической плотностью и кон-
центрацией.
При фотоэлектрическом колориметрирова-
нии должен быть выбран фотоэлемент с мак-
симумом спектральной чувствительности в об-
ласти лучей, поглощаемых раствором.
В большинстве современных фотоэлектри-
ческих колориметров используются селеновые
фотоэлементы вентильного типа, непосред-
ственно превращающие лучистую энергию
в электрическую, максимум спектральной чув-
ствительности которых находится в области
волн длиной около 0,58 мкн. Колориметры
с селеновыми фотоэлементами наиболее при-
годны для работы с синими растворами; при
работе с желтыми растворами чувствитель-
ность подобных колориметров обычно недоста-
точна, но может быть повышена применением
соответствующих светофильтров.
Значительно большую чувствительность,
чем селеновые фотоэлементы, имеют сернисто-
серебряные фотоэлементы вентильного типа;
чувствительность этих ' фотоэлементов дости-
гает 5000 мка/лм-, их спектральный максимум
сдвинут в инфракрасную область, что ограни-
чивает применение этих фотоэлементов для ра-
боты в видимой части спектра.
Распространение получили также колори-
метры с кислородно-цезиевыми и сурьмяно-це-
зиевыми фотоэлементами, особенно в вакуум-
ном исполнении.
Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы весьма
пригодны для колориметрирования желтых
растворов. Фотоэлементы с внешним фотоэф-
фектом применяются в основном с ламповыми
усилителями фототока.
Качество источника света играет сущест-
венную роль в работе фотоэлектрических коло-
риметров. Широкое распространение имеет
вольфрамовая лампа накаливания, хотя на до-
лю видимой части спектра приходится лишь до
10% от общей энергии излучения; большая
часть энергии приходится на долю инфракрас-
ных лучей. Сила света лампы растет с увели-
чением напряжения питания лампы пропор-
ционально третьей (до четвертой) степени на-
пряжения. Поэтому вопрос о стабильности на-
пряжения источника питания лампы имеет
исключительно важное значение.
Столь резкая зависимость силы света от на-
пряжения исключает возможность контроля и
регулирования напряжения при помощи вольт-
метра и реостата в цепи питания лампы, так
как подобный контроль оказался бы слишком
грубым и неэффективным. Наиболее чувстви-
тельным указателем постоянства напряжения
является фототок.
Весьма целесообразно применение в каче-
стве источника света для фотоэлектрических
колориметров газосветных ламп. Зависимость
силы света их от напряжения практически ли-
нейна, благодаря чему значительно понижают-
ся требования к постоянству напряжения ис-
точника питания лампы. Кроме того, газосвет-
ные лампы мало нагреваются и не нарушают
температурного режима фотоэлемента и рас-
творов. Наконец, важным достоинством газо-
светных ламп, с точки зрения применения их
в колориметрии, является линейный характер
спектра излучения, благодаря чему удается
с помощью светофильтров выделить узкую об-
ласть спектра и добиться таким путем практи-
чески полной монохроматизации света.
В фотоэлектрических колориметрах чаше
всего используется измерительная дифферен-
циальная цепь с двумя фотоэлементами, рабо-
тающая в равновесном режиме, ибо в этом
случае можно избежать ряда погрешностей,
присущих так называемым фотоэлектрическим
приборам прямого действия, имеющим один
фотоэлемент, работающий в измерительной не-
равновесной цепи (см. § 11-4).
Типичная принципиальная схема фотоэлек-
трического колориметра с двумя дифферен-
циально включенными вентильными фотоэле-
ментами изображена на фиг. 39-2. Источник
света 1 освещает два фотоэлемента: на фо-
тоэлемент Fi (рабочий) лучи света проходят
Фиг. 39-2. Принципиальная схема дифференциального
фотоэлектрического колориметра
через кювету 2 с испытуемым раствором, а на
фотоэлемент —(сравнения) через кювету <3
с образцовым раствором. В оптическую часть
прибора входят диафрагмы 4 переменного се-
чения, светофильтры 5 и линзы 6. Оптическая
часть должна обеспечить освещенность свето-
вым потоком всей рабочей поверхности фото-
элемента; как правило, в оптическую часть
входит ряд линз, а иногда зеркала и оптиче-
ские призмы.
Электрическая измерительная цепь и опти-
ческая часть прибора должны обеспечить урав-
новешивание цепи при начальном значении из-
меряемой концентрации (установка нуля) и
уравновешивание при измерении концентра-
ции. Последняя операция в современных при-
борах осуществляется автоматически посред-
ством следящих устройств автоматических при-
боров типа СП или ЭПП, описанных в § 24-4
и 24-5.
Решение задачи установки нуля и уравно-
вешивания при измерении может быть осуще-
ствлено как оптически, посредством диафрагм
переменного сечения на пути световых потоков
(диафрагмы 4 на фиг. 39-2), так и электриче-
ски, посредством реохорда 7 на фиг. 39-2.
В некоторых приборах оба процесса урав-
новешивания осуществляются оптически (дву-
мя диафрагмами: перед рабочей кюветой и пе-
ред кюветой сравнения). Чаще всего установ-
ку нуля производят электрически, а автома-
тическое уравновешивание при измерении
оптически.
В случае использования автоматических
приборов, например со следящим устройством
от ЭПП, диафрагма переменного сечения
(обычно перед кюветой сравнения) механиче-
ски связывается с реверсивным двигателем
следящего устройства. При равенстве фотото-
ков обоих фотоэлементов напряжение на вхо-
де усилителя равно нулю. При нарушении рав-
новесия на входе усилителя появляется напря-
жение и реверсивный двигатель приводит
в движение диафрагму переменного сечения до
получения нового равновесия.
В качестве примера рассмотрим автомати-
ческий фотоколориметр со следящим устрой-
ством от автоматического компенсатора
ЭПД-07, разработанный Г. К. Лебедевым и
М. Т. Борок [Л. 59].
Принципиальная схема этого фотоколори-
метра изображена на фиг. 39-3. Луч света от
осветительной лампы / (12 в, 30 вт, типа К7)
Фиг. 39-3. Принципиальная схема автоматического
фотоколориметра
проходит к каждому из селеновых фотоэлемен-
тов через линзы 2, теплозащитное стекло 3,
зеркало 4, светофильтр 5, линзу 6, диафрагму 7,
кювету 8, щелевую диафрагму 9 переменно-
го сечения, линзу 10, призму 11 и защитное
стекло 12.
Установка нуля производится регулировкой
диафрагмы 9 левого канала вручную. Уравно-
вешивание в процессе измерения производится
автоматически при помощи диафрагмы 9 пра-
вого канала, связанной с реверсивным двига-
телем следящего устройства.
Оба селеновых фотоэлемента 13 включены
друг другу навстречу; разность токов этих
фотоэлементов включается на вход (т. е. на
электромагнитный переключатель) следящего
устройства автоматического компенсатора
ЭПД-07 (см. § 24-5).
§ 39-4. Колориметры, использующие
тепловой эффект лучистой энергии
На фиг. 39-4 показана принципиальная схе-
ма прибора для измерения состава с термосо-
противлениями в качестве лучеприемников и
логометром в качестве измерителя. Излучатель
I облучает в верхнем мостике термосопротив-
ление 2?i непосредственно, а термосопротивле-
ние Я2 через испытуемую среду, помещенную
в кювете 2. Ток в диагонали верхнего моста и
в рамке ri логометра определяется изменением
сопротивления Яг и зависит от концентрации
испытуемой среды.
Фиг. 39-4. Схема колориметра с термосопротивле-
ниями в качестве лучеприемника
ние гальванометра будет функцией концен-
трации испытуемого раствора. Изменением об-
разцового сопротивления Ял2 отклонение галь-
ванометра приводится к нулю. Таким образом,
сопротивление ЯЛ2 может быть градуировано
непосредственно в единицах концентрации.
Прибор, выполненный по этой схеме, имел
следующие параметры. Сопротивления ЯК1 и
равны 50 ом каждое. При применении
гальванометра сопротивлением 50 ом и по-
стоянной 6 10-9 a/дел можно надежно опре-
делять помутнение в 0,1% в слое воды тол-
щиной 10 мм.
Интенсивность излучения лампочки должна
поддерживаться постоянной, что требует ста-
билизации напряжения питания.
В нижнем мостике излучатель 1 непосред-
ственно облучает термосопротивление Яз-
К диагонали нижнего моста приключается
рамка г2 логометра. Прибор измеряет, таким
образом, отношение двух интенсивностей излу-
чения. Поэтому изменение интенсивности излу-
чателя не влияет на показания логометра.
На фиг. 39-5 приведена принципиальная
схема дифференциального прибора с двумя
кюветами и с термобатареями в качестве луче-
приемников [Л. 93].
Прибор имеет оптическую и электрическую
(реостатом 2?) регулировки нуля. Последняя
производится таким образом, чтобы при на-
чальной концентрации испытуемого раствора
э. д. с. обеих термобатарей t\ и t2 при излу-
чающей лампе, питаемой напряжением 4 в,
создавали одинаковые токи в образцовых со-
противлениях ЯУ1 и Ядг2- Если концентрация
испытуемого раствора изменится, то э. д. с.
термобатареи % также изменится и отклоне-
§ 39-5. Электрические дымномеры
С точки зрения газовой схемы преобразо-
ватели дымномеров выполняются или в виде
обводных, когда в преобразователь ответвляет-
ся часть потока газа, или в виде магистраль-
ных преобразователей, располагающихся не-
посредственно в дымовой трубе.
Принципиальная схема обводного преобра-
зователя изображена на фиг. 39-6. При помо-
щи эжектора 1 исследуемый газ засасывается
из газохода в трубу 2 преобразователя и вы-
брасывается обратно в газоход. В трубе рас-
положены: излучатель 3 (лампочка накалива-
ния), линзы 4 и 5 и лучеприемник 6.
В качестве лучеприемников в дымномерах
обычно используют либо термобатарею из не-
скольких (6—10) термопар,'либо фотоэлемент.
В зависимости от концентрации взвешен-
ных твердых частиц (т. е. от густоты дыма)
будет изменяться поглощение средой энергии
излучателя 3, количество лучистой энергии, по-
лучаемой лучеприемником, а следовательно, и
показания того или иного измерителя, вклю-
ченного в цепь лучеприемника.
К достоинствам обводных преобразовате-
лей надо отнести, прежде всего, то обстоятель-
ство, что они находятся вне газохода и, следо-
вательно, не подвергаются воздействию высо-
Фиг. 39-6. Схема устройства обводного
преобразователя дымномера
газохода приварены стойки 1, к которым при-
креплено зеркало 2, отражающее лучи, посту-
пающие от излучателя 3 в лучеприемник 4.
Излучатель и лучеприемник вместе с линзами
5 помещены в камере 6, прикрепленной к на-
ружной поверхности газохода. Стекло 7 защи-
щает камеру 6 от попадания в нее пыли и
сажи.
К достоинствам одностороннего крепления
магистрального преобразователя следует отне-
сти: простоту монтажа и регулировки оптиче-
ской части преобразователя, а также сравни-
тельно малые габариты последнего.
Основным недостатком подобных преобра-
зователей является необходимость предусмот-
реть обдувку сжатым воздухом зеркала и
защитного стекла, поскольку загрязнение по-
верхностей зеркала и защитного стекла может
повести к большим погрешностям измерения.
ких температур. Кроме того, преобразователи
доступны для очистки от осевшей в них пыли
и сажи и представляют собой жесткую кон-
струкцию, которую при необходимости можно
выполнить виброустойчивой сравнительно про-
стыми средствами.
К недостаткам обводных преобразователей
дымномеров следует отнести необходимость
в использовании эжектора, а также то обстоя-
Фиг. 39-8. Схема устройства магистрального преобразо-
вателя дымномера с двухсторонним креплением
Фиг. 39-7. Схема устройства маги-
стрального преобразователя дымно-
мера с односторонним креплением
тельство, что концентрация взвешенных частиц
в газе, попадающем в преобразователь, отли-
чается от усредненной по сечению газохода
концентрации взвешенных частиц.
Магистральные преобразователи дымноме-
ров, расположенные непосредственно в газохо-
де, могут быть выполнены с односторонним и
двухсторонним креплением в трубе газохода.
На фиг. 39-7 показана принципиальная
схема магистрального преобразователя дым-
номера с односторонним креплением. К стене
При двухстороннем креплении магистраль-
ных преобразователей излучатель и лучепри-
емник находятся в камерах вне газохода
(фиг. 39-8). В трубе 1 преобразователя имеют-
ся щели 2, через которые проходит испытуе-
мый газ. В одной камере помещен лучеприем-
ник 3, в другой — излучатель 4. В трубе
помещены линзы 5 и защитные стекла 6. При
подобном расположении излучателя и луче-
приемника. несколько затрудняется регулиров-
ка оптической части преобразователя.
К недостаткам двухсторонних магистраль-
ных преобразователей дымномеров следует от-
нести сравнительно большие , габариты и вес
преобразователя.
Шкала измерителя дымномера вычерчи-
вается в виде, изображенном на фиг. 39-9. Вся
шкала разбивается на шесть участков, за-
штрихованных линиями различной густоты и
толщины.
В современных дым номер ах длины участков
шкалы изменяются по логарифмическому за-
кону, что отвечает экспоненциальному закону
изменения поглощения лучистой энергии, в за-
висимости от концентрации взвешенных частиц
в газе.
В качестве примера .опишем магистральный
дымномер с двухсторонним креплением преоб-
разователя, с термобатареей в качестве луче-
приемника.
Принципиальная схема измерительной цепи
описываемого дымномера изображена на
фиг. 39-10. Излучатель представляет собой
электрическую лампу накаливания /, снабжен-
ную рефлектором, питаемую от сети перемен-
ного тока через стабилизатор напряжения 2.
Лучеприемником является термобатарея 3,
Фиг. 39-9. Шкала -измерителя дымномера
а измерителем — магнитоэлектрический мил-
ливольтметр Г. Линза 4 создает практически
параллельный пучок лучей в дымовой трубе,
а линза 5 фокусирует лучи на рабочих концах
термобатареи.
Нить лампы накаливания имеет форму вы-
тянутого прямоугольника. Мощность лампы
50 вт, напряжение 12 в. Рефлектор металличе-
ский, выполнен в виде полусферы.
Термобатарея (фиг. 39-10,6) состоит из ше-
сти термопар с термоэлектродами хромель —
копель. Рабочие концы 1 термопар приварены
к лепестку 2 из платины, покрытой платино-
вой чернью. Свободные концы 3 укреплены на
слюдяной пластинке 4. Тонкими линиями изо-
бражены копелевые термоэлектроды, а тол-
стыми — хромелевые. Цифрой 5 обозначены
выводы. Последовательно-параллельное вклю-
чение термопар обеспечивает повышение
т. э. д. с. большее, чем повышение сопротив-
ления термобатареи.
Вся термобатарея помешена в эвакуирован-
ный стеклянный баллон.
При применении эвакуированных баллонов
(при вакууме меньше чем 1 • 10~5 мм рт. ст.)
э. д. с. термобатареи при нулевой дымности
равна примерно 30 мв, тогда как в случае при-
менения газонаполненного баллона э. д. с. тер-
мобатареи порядка 15 мв (при нулевой дым-
ности). Следует отметить, однако, что влияние
температуры свободных концов у вакуумных
термобатарей больше, чем у газонаполненных.
Глава сороковая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ
§ 40-1. Электрические газоанализаторы
на принципе теплопроводности
В § 5-3 были рассмотрены теоретические
основы электрических газоанализаторов, преоб-
разователем которых является термосопротив-
ление; температура термосопротивления, отве-
чающая тепловому равновесию, определяется
в основном потерями через теплопроводность
среды, функционально связанной с составом
газа. Поэтому такие газоанализаторы получи-
ли название газоанализаторов на принципе
теплопроводности.
Газоанализаторы этого типа применяются
чаще всего для измерения концентрации СО2
и Нг в газовой смеси.
Электрические газоанализаторы на СО2.
Простейшим и весьма распространенным газо-
анализатором на СО2 является газоанализатор
типа ГЭУК-21.
Конструкция термосопротивления этого га-
зоанализатора показана на фиг. 40-1,а. Плати-
новая проволока 1 прикреплена одним концом
к латунному стержню 2, другим концом к спи-
рали 3 из платино-иридиевой проволоки, при-
паянной к второму латунному стержню. Оба
латунных стержня запрессовываются во втул-
ку 4 из изолирующей пластмассы.
Преобразователь газоанализатора имеет
четыре термосопротивления, включенных в пле-
чи одинарного моста. Два термосопротивления
являются рабочими, включены в противопо-
ложные плечи моста и помещены в камеры, че-
рез которые протекает испытуемая газовая
смесь; два других являются нерабочими и по-
мещены в камеры, наполненные воздухом.
Конструкция преобразователя газоанализа-
тора приведена на фиг. 40-1,6. Термосопротив-
ления 1 расположены в камерах
литого блока 2. Газ поступает в
центральный канал, откуда через
боковые каналы 3 попадает в ра-
бочие камеры. Камеры сравнения
4 герметически закрыты и запол- 2
йены воздухом. S
Газовая схема газоанализато-
ра типа ГЭУК-21 показана на || В’
фиг. 40-2. Газовая смесь посту- е
пает в газозаборную трубку 1 че-
рез керамический фильтр 2, слу-
жащий для очистки газовой сме-
си от взвешенных частиц. В кре-
стовине 3 помещен газовый кран
Ki, через который газовая смесь
поступает в фильтр 4 (склянка
с водой) для очистки ее от сер-
нистого газа; из фильтра 4 газо-
вая смесь поступает в контроль-
ный фильтр 5, заполненный ва-
той, а оттуда в электрическую
печь 6 для удаления (сжигания)
из нее водорода. Из дожигатель-
ной печи газовая смесь поступает в холодиль-
ник 7, где она охлаждается проточной водой,
после чего поступает в преобразователь 8.
Просос газа осуществляется при помощи
эжектора 9, снабженного манометром 10. Га-
зовая смесь, пройдя преобразователь, выбра-
сывается вместе с водой. Конденсат стекает
в сосуд И, откуда удаляется в водопроводную
сеть. Кран служит для забора воды в хо-
лодильнике. Цифрами 12 и 13 обозначены
ручки реостатов для регулировки тока в об-
щей цепи моста и для уравновешивания мо-
ста (нулевой реостат), цифрой 14 — миллиам-
перметр в общей цепи моста, а цифрой 15 —
измеритель, шкала которого градиурована не-
посредственно в процентах СО2. Цифрой 16
обозначен источник питания измерительной
цепи газоанализатора; цифрой 17 — водопредо-
хранитель, а цифрой 18 — гидравлическое со-
противление.
Описанный газоанализатор обладает рядом
недостатков, главными из которых являются:
необходимость в батарее аккумуляторов для
питания измерительной цепи, а также в от-
дельном измерителе для поддержания неиз-
менного тока в общей цепи моста, зависимость
показаний прибора от скорости протекания га-
зовой среды через преобразователь, наличие
погрешности, обусловленной колебаниями
окружающей температуры (изменяется темпе-
ратура газа и рамки измерителя).
Некоторые из этих недостатков могут быть
устранены переходом на питание от сети пере-
Фиг. 40-2. Газовая схема газоанализатора ГЭУК-21
менного тока через понижающий трансформа-
тор и использованием логометра в качестве из-
мерителя.*
* Подобный газоанализатор с питанием от сети
через трансформатор и выпрямители и с использова-
нием магнитоэлектрического логометра в качестве из-
мерителя описан в первом издании настоящей книги.
В наиболее современных конструкциях га-
зоанализаторов на принципе теплопроводности
используются автоматические мосты.
Электрические газоанализаторы на водород.
В качестве примера, ниже приведено описание
газоанализатора на водород, разработанного
Н. А. Львовым, Б. Б. Ершовым и Ф. М. Холо-
вым. Предел измерения прибора 60—100% Н2.
Газовая схема этого газоанализатора при-
ведена на фиг. 40-3. Газовая смесь из трубо-
провода поступает сначала в редукционный
вентиль 1, предназначенный для регулировки
расхода газа по ротаметру, после чего прохо-
дит через фильтр-осушитель 2 для осушки га-
за и очистки его от механических примесей.
Затем газовая смесь проходит через трехходо-
вой кран 3 (служащий для продувки преобра-
зователя при проверке электрического нуля га-
зоанализатора) и ротаметр 4 в преобразова-
тель 5 и, наконец, через трехходовой кран 6
(служащий для проверки герметичности газо-
вой коммуникации) выходит в атмосферу.
Устройство преобразователя описываемого
газоанализатора видно на той же фиг. 40-3.
В цилиндре из нержавеющей стали имеется
центральный канал, через который проходит
газовая смесь, и восемь камер (на фигуре
видна только одна камера), в которые встав-
ляются восемь стеклянных баллончиков, с впа-
янными в них термосопротивлениями, выпол-
ненными из платиновой проволоки (в виде
спирали).
Четыре камеры (из восьми) соединяются
с центральным каналом; в двух из них распо-
ложены баллончики с незапаянным дном и
испытуемая газовая смесь омывает рабочие
термосопротивления, в других двух камерах
расположены термосопротивления в запаянных
баллончиках с 60% водорода. Остальные че-
тыре камеры не сообщаются с центральным
каналом; в двух из них' термосопротивления
помещены в баллончиках, заполненных 100%
водорода, а в двух других — в баллончиках,
заполненных 60% водорода.
Измерительная цепь прибора показана на
фиг. 40-4. Четыре термосопротивления в ка-
мерах, сообщающихся с центральным каналом,
являются плечами измерительного моста I,
в измерительную диагональ которого включено
сопротивление RH. Четыре остальных термо-
сопротивления являются плечами моста II,
с диагонали которого в свою очередь пи-
тается реохорд R .
Обозначения плеч на фиг. 40-4 следующие:
— рабочие плечи, в которых термосо-
противления омываются испытуемой газовой
смесью;
Т?2— плечи, в которых баллончики запол-
нены газовой смесью с 60% водорода;
/?3— плечи, в которых баллончики запол-
нены чистым (100%) водородом.
На вход усилителя подается разность
между напряжением на измерительной диаго-
нали моста I (на сопротивлении RK) и паде-
нием напряжения на верхней части реохор-
да Rp.
Фиг. 40-4. Схема измерительной цепи газо-
анализатора на'Н3 с автоматическим компен-
сатором
Установка нуля осуществляется реоста-
том Ro, смонтированным в корпусе измерителя.
Регулировка конечного отклонения при номи-
нальном значении измеряемой концентрации
осуществляется реостатом в цепи питания
моста II, питающего реохорд Rp. Сопротивле-
ния /?5, Rs и R7 — подгоночные для достиже-
ния симметрии преобразователей.
При начальном значении измеряемой кон-
центрации (60%) напряжение на измеритель-
ной диагонали моста I равно нулю, ток в рео-
хорде Rp равен номинальному. Для того чтобы
напряжение на входе усилителя было при
этом равно нулю, движок реохорда Rp дол-
жен находиться в верхнем крайнем положе-
нии.
При выходе моста I из равновесия возни-
кает напряжение на его измерительной диаго-
нали, которое оказывается неуравновешенным
падением напряжения на реохорде Rp, и на
входе усилителя появляется напряжение, при-
насосу
Фиг. 40-5. Преобразователь переносного
газоана^затора на Н2
водящее в действие следящее устройство,
перемещающее движок реохорда до наступле-
ния нового равновесия.
Усилитель, следящее устройство и измери-
тель в описываемом газоанализаторе заимство-
ваны из автоматического компенсатора
ЭПД-07. Р
Вся измерительная цепь питается от сети
переменного тока напряжением 220 в и часто-
той 50 гц. А
Основная погрешность прибора +1 % от
номинального показания измерителя. Темпера-
турная погрешность не превышает +0,5% (от
номинального показания) на 10° С в пределах
температур от 0 до 50° С. Погрешность от ко-
лебания напряжения питания на +10 в не пре-
вышает +0,5% от номинального показания.
Инерция газоанализатора не превышает 5 мин.
Другим примером газоанализатора на Н2
является переносный газоанализатор типа
МГЭВ на„ предел измерения 0—6% Н2.
Устройство преобразователя этого газоана-
лизатора показано на фиг. 40-5. Литой блок 1
имеет четыре камеры: в двух из них помешены
нерабочие термосопротивления 2 (фиг. 40-5,а),
представляющие собой платиновые спирали
в запаянных стеклянных ампулах, заполнен-
ных воздухом; в двух других камерах
(фиг. 40-5,6) помещены рабочие термосопро-
тивления 3, представляющие собой платиновые
спирали в незапаянных стеклянных ампулах.
Таким образом, рабочие термосопротивления
могут омываться анализируемой газовой
смесью.
На блок 1 навинчивается фильтр 4 из
пластмассы, заполненный натронной известью
(для поглощения СО2). На фильтр 4, в свою
очередь, навинчивается камера-крышка 5 с па-
трубками 6 и 7.
Газовая смесь поступает в преобразователь
или непосредственно через фильтр 4 при сня-
той камере-крышке 5, или же через патрубок 7
и резиновый шланг 8 при помощи насоса в ви-
де резиновой груши (прилагаемой к прибору).
Измерительная цепь описываемого перенос-
ного газоанализатора, изображенная на
фиг. 40-6, отличается тем, что один и тот же
Фиг. 40-6. Схема измерительной цепи
переносного газоанализатора на Н2
измеритель Г применяется как для проверки и
установки тока в термосопротивлениях, так и
для измерения тока в измерительной диагона-
ли моста. Переключение измерителя осущест-
вляется переключателем /7; в положении К
измеритель измеряет падение напряжения на
сопротивлении RUI, т. е. измеряет ток в термо-
сопротивлениях Ri и /?2. Регулировка тока осу-
ществляется реостатом Rs на отметку шкалы
6% Н2. В положении И измеритель включает-
ся в измерительную диагональ моста Rit Ri,
R3, Ri-
Сопротивление RKIU равно сопротивлению
таким образом, при включении измерителя
в измерительную диагональ моста симметрия
моста не нарушается.
Для уравновешивания моста при нулевой
концентрации водорода служит реохорд г.
Сопротивления RK и Rs служат для регули-
ровки прибора.
Газоанализатор типа МГЭВ значительно
проще описанного выше газоанализатора на
Нг (фиг. 40-4), однако уступает ему в отноше-
нии точности измерения.
§ 40-2. Электрические газоанализаторы
на ~ принципе измерения теплоты химической
реакции (каталитические)
К рассматриваемым приборам относятся
многочисленные типы газоанализаторов, в ко-
торых реакция окисления испытуемых компо-
нент газовой смеси происходит с выделением
тепла в присутствии катализатора (понижаю-
щего температуру, при которой начинается ре-
акция окисления). Чувствительным элементом
преобразователя, нагреваемого выделяемым
теплом, является либо термосопротивление, ли-
бо термобатарея.
Эти газоанализаторы находят себе особен-
но широкое применение для измерения продук-
тов неполного сгорания, т. е. СО -{- Н2, а так-
же для измерения весьма малых концентра-
ций СО (порядка долей мг/л), метана, паров
бензина и т. д. в различных вредных цехах и
других помещениях, где, согласно советским
законам об охране труда, должны быть ис-
пользованы средства борьбы с накоплением
вредных газов в опасных для здоровья трудя-
щихся концентрациях.
Повышение температуры катализатора,
а следовательно, и теплочувствительного эле-
мента преобразователя, зависит от многих фак-
торов: от теплоты экзотермических реакций, от
скорости реакции, которая в свою очередь, за-
висит от вида реакции, от температуры и коли-
чества катализатора и т. д. Кроме того, ско-
рость реакции зависит от концентрации других,
помимо анализируемого, входящих в реакцию
газов.
В табл. 40-1 приведены расчетные (теоре-
тические) цифры, характеризующие теплоту
Фиг. 40-7. Кривые, иллюстрирующие
влияние скорости газа в преобразова-
теле газоанализатора на СО на прин-
ципе измерения теплоты химической
реакции
некоторых экзотермических реакций и соответ-
ствующее повышение температуры.
Практически повышение температуры бу-
дет значительно меньше, чем указанное в таб-
лице, как вследствие тепловых потерь преоб-
разователя, так и вследствие того обстоятель-
ства, что не все количество искомой компо-
ненты газовой смеси успеет прореагировать за
время протекания ее через камеру с катали-
затором.
Влияние скорости газа для одного из вы-
полненных преобразователей прибора для из-
мерения СО иллюстрируется кривыми, изобра-
женными на фиг. 40-7. Кривая А показывает
Таблица 40-1
Реакция Количество тепла на 1 моль, ккал Повышение температуры при сгорании однопроцент- ной смеси (по объему)
при постоян- нсм давле- нии, °C при постоян- ном объеме, °C
Н2 + О2 -> Н2О (пар) 57 125 85
СО + 2 Ог ' *со2 68 140 100
SOg $2 ->SO2 20 45 30
3 NHs-f-^- О2 -*J-N2 + |-H2O (пар) 73 150 но
непрерывное уменьшение процента сгоревшего
СО при увеличении скорости v газа; кривая
С — одновременно происходящее увеличение
количества сгоревшего СО (в произвольных
единицах), кривая В — приращение темпера-
туры; начиная с определенной скорости, тем-
пература катализатора (и теплочувствитель-
ного элемента преобразователя) практически
не меняется.
В преобразователях каталитических газо-
анализаторов существенно важно уменьшить
потери тепла каталитической реакции, проис-
Фиг. 40-8. Преобразователь и схемй
измерительной цепи газоанализатора
на СО + Н2
ходящей на проволоке. Поэтому проволоку
надо применять тонкую и длинную, а каме-
ру — возможно меньшего диаметра.
Газоанализатор на СО + Н2. В этих газо-
анализаторах катализатором обычно является
платиновая проволока, нагреваемая током до
400—450° С. Соприкасаясь с нагретой платино-
вой проволокой, газы СО + Н2 из газовой
смеси сгорают с выделением тепла.
Выделяемое тепло дополнительно нагревает
платиновую проволоку; изменение сопротивле-
ния этой проволоки, обусловленное дополни-
тельным нагревом ее, является критерием кон-
центрации СО -|- Н2 в газовой смеси. Таким
образом, платиновая проволока является в по-
добных газоанализаторах и катализатором и
термосопротивлением.
Для того чтобы улучшить каталитическое
действие платиновых проволок, их покрывают
дополнительно активизирующим слоем катали-
затора либо из окислов различных металлов,
либо платиной в дисперсном состоянии
(чернью).
Разрез преобразователя газоанализатора
на СО -j-Нг и его измерительная цепь показа-
ны на фиг. 40-8. Преобразователь представля-
ет собой блок из двух камер, через одну из
которых (рабочую) проходит испытуемая га-
зовая смесь, а другая (нерабочая) камера за-
полнена сухим воздухом. Платиновые проволо-
ки в обеих камерах совершенно одинаковы;
они натянуты между двумя держателями из
латунной проволоки (диаметром 1,5—2,0 мм),
запрессованными в пробку из пластмассы. Обе
платиновые проволоки включены в два сосед-
них плеча одинарного моста; два других плеча
выполнены в виде катушек из манганиновой
проволоки.
Ток в цепи питания моста порядка 0,8—
0,85 а. Напряжение источника питания 6 в.
Предел измерения прибора — 4% СО -|- Н2
Газоанализатор на метан. Этот газоанали-
затор, разработанный Н. А. Львовым и
Л. С. Ананьевым, предназначен для анализа
воздуха в угольных шахтах [Л. 59].
Катализатором в этом газоанализаторе яв-
ляется платиновая проволока, являющаяся
одновременно и термосопротивлением. Плати-
новая проволока помещена в специальную га-
зовую камеру взрывобезопасной конструкции
(Фиг. 40-9). В центре камеры помещена ката-
литически активная платиновая нить 1, выпол-
ненная в виде спирали. Платиновая проволока
заключена в сетчатую оболочку, не показан-
Фиг. 40-9. Газовая камера
газоанализатора на метан
ную на фигуре. Сетчатая оболочка обеспечи-
вает постепенное сгорание метана при боль-
ших концентрациях его в анализируемом воз-
духе. Это, в свою очередь, обеспечивает со-
хранность проволоки при концентрациях мета-
на, превышающих предел измерения. С по-
мощью двух винтов, прижимающих токопод-
воды, платиновая проволока прикреплена
к двум выводам 2, соединенным через штеп-
сельный разъем 3 взрывобезопасного типа
с измерительной цепью.
Взрывобезопасность газовой камеры обес-
печивается двумя сетчатыми огнепредохрани-
телями 4, установленными на входе и выходе
газовой камеры, а также соответствующей кон-
струкцией сочленения корпуса камеры с колод-
кой, в которой укреплена платиновая прово-
лока.
Перед поступлением в камеру анализируе-
мый воздух проходит через специальный
Фиг. 40-10. Преобразова-
тель газоанализатора на
малые концентрациии СО
в воздухе с гопкалитом
в качестве катализатора
фильтр, служащий для
очистки воздуха от пы-
ли, двуокиси углерода и
сернистых соединений.
Платиновая проволока
рабочей газовой каме-
ры включается в пле-
чо моста, работающе-
го в неравновесном
режиме. В соседнее
плечо моста включена
платиновая проволока,
помещенная в сравни-
тельную камеру, вы-
полненную аналогично
рабочей камере, но за-
полненную сухим воз-
духом. Газоанализатор
выпускается на два
предела измерения: от
О до б % и от 0 до 2,6 %
метана.
Основная погрешность газоанализатора для
указанных пределов измерения соответственно
равна 0,2% и 0,1% метана. Время одного ана-
лиза равно 30 сек. Вес прибора 4 кг. Габариты
200 *Х 180 X 150 мм. Следует отметить, что
шахтный газоанализатор на метан, несмотря
на его специальное назначение, имеет доста-
точно широкую область применения; в частно-
сти, его можно применить для анализа водоро-
до-воздушных смесей, содержащих от 0 до 5%
водорода, взрывоопасных концентраций горю-
чих газов и паров в воздухе и кислорода
в сложных газовых смесях, имеющих компо-
ненты горючих газов.
Газоанализатор на малые концентрации
СО, разработанный В. А. Павленко (ЛИОТ)
]Л. 29], использует в качестве катализато-
ра гопкалит (60% МпО2 + 40% СиО), а
в качестве теплочувствительного элемента —
термобатарею из медноконстантановых тер-
мопар.
Преобразователь газоанализатора изобра-
жен на фиг. 40-10. Две алюминиевые цилинд-
рические полукамеры 1 разделены текстоли-
товой перегородкой 2 и закрыты с обеих сто-
рон металлическими сетками 3. Сетки прижи-
маются к полукамерам 1 навинчивающимися
текстолитовыми крышками 4 с патрубками для
присоединения преобразователя к коммуника-
ции газовой смеси. Нижняя полукамера запол-
нена прокаленной пемзой, а верхняя — гопка-
литом.
Термобатарея 5 из 120 медноконстантано-
вых термопар расположена таким образом, что
рабочие концы их помещены в гопкалите,
а свободные концы в пемзе. Рабочие концы
термопар осуществлены сваркой, длина термо-
электродов 28—30 мм, диаметр их 0,15 мм;
сопротивление всей термобатареи порядка
80 ом.
Тепло, выделяемое в верхней полукамере
при сгорании малых концентраций (до 0,5 мг/л)
СО в СО2, нагревает рабочие концы термопар
(относительно свободных концов) всего на
1 —1,5° С; поэтому вопрос об уменьшении теп-
лоотдачи и теплоемкости всего преобразовате-
ля имеет существенное значение.
Для того чтобы реакция сгорания СО в СО2
протекала при катализирующем действии гоп-
калита полностью, нужно, чтобы газовая смесь,
содержащая СО, была нагрета до 100° С. Для
этого служит водяной термостат 1 с электри-
ческим подогревом (фиг. 40-11), в котором по-
мещен преобразователь 2, а газовая смесь пе-
ред поступлением в преобразователь проходит
по змеевику 3, нагреваясь в нем до необходи-
мой температуры.
Засасывание воздуха (газовой смеси) из
помещения, в котором необходимо измерить
содержание СО, происходит через отверстие
выступающей из прибора трубки 4. Газовая
смесь просасывается через газопровод в при-
боре при помощи вентилятора 5, вращающе-
гося от небольшого электродвигателя (мощ-
ностью 5—10 вт) 6. Испытуемая газовая смесь
проходит сначала через три патрона 7 с погло-
тителями. Первый патрон (по ходу газа) на-
полнен фильтром из ваты для улавливания пы-
ли. Второй патрон наполнен натронной из-
вестью с 10% добавкой КОН. Этот поглотитель
служит для поглощения сернистого ангидрида
(SO2). Третий патрон заполнен активирован-
ным углем для поглощения органических ком-
понент, например паров бензина. Водород и
метан, если они содержатся в анализируемом
воздухе (газовой смеси), на реакцию и на ка-
тализатор не влияют.
Из поглотителей газовая смесь поступает
в змеевик, затем в преобразователь 2 и, нако-
нец, по трубе в ротаметр 8, измеряющий рас-
ход газа, и выходит из прибора через отверстие
трубы 9. Вентилятор 10 помогает охлаждать
пары, выбрасываемые водяным термостатом
в трубу 11, снабженную ребрами для лучшего
охлаждения. Значительная часть паров конден-
сируется и стекает обратно в термостат, поэто-
му пополнение воды в термостате должно про-
изводиться лишь один раз в месяц.
Фиг. 40-11. Схема устройства газоанализа-
тора да малые концентрации СО в воз-
духе с гопкалитом в качестве катализа-
тора
Расход газа составляет примерно 4 л/мин
и должен поддерживаться постоянным (по по-
казаниям ротаметра). Гидравлическое сопро-
тивление газовой сети в приборе при присоеди-
нении газовой трубы длиной 30 м не превы-
шает 20—25 мм вод. ст., тогда как напор, со-
здаваемый вентилятором, равен 800 мм вод. ст.
Высота слоя катализатора (гопкалита)
в верхней полукамере преобразователя равна
20—22 мм. Реакционное пространство таково,
что через 1 см3 этого пространства протекает
0,48 л/мин-, при этом проскок СО через реак-
ционную камеру составляет не свыше 7% (при
расходе 4 л!мин).
Измерителем является магнитоэлектриче-
ский прибор на предел измерения 3 мв. Шка-
ла милливольтметра, градуированная в едини-
цах концентрации СО, практически равно-
мерна.
Работа описываемого газоанализатора за-
висит от наличия водяных паров в анализируе-
мом воздухе; эта зависимость определяется
в значительной степени температурой. При
100° С влияние влажности сказывается лишь
при влажности от 35 мм рт. ст. парциального
давления. Хорошей осушкой воздуха можно и
при более низких температурах получить та-
кую же активность гопкалита, как и при
100° С, однако добиться хорошей осушки, по-
стоянной во времени, очень трудно. При повы-
шении влажности резко возрастает проскок
СО и возникает непостоянство показаний. При-
менение поглотителей влаги не дает стабиль-
ных результатов. Поэтому в данном газоана-
лизаторе предпочли отказаться от патрона
с поглотителем влаги и применили водяной
термостат на 100° С.
Предел измерения описываемого газоанали-
затора от 0 до 0,4 мг/л окиси углерода. Основ-
ная погрешность газоанализатора +3% от
предела измерения. Дополнительная погреш-
ность от изменения температуры окружающего
воздуха не превышает 0,1 % на 1° С. Инерция
показаний газоанализатора 3—4 минуты. В га-
зоанализаторе предусмотрена сигнализация
при достижении концентрацией окиси углерода
опасного для здоровья предела.
§ 40-3. Оптико-акустические
газоанализаторы
Оптико-акустический метод, разработанный
М. Л. Вейнгеровым [Л. 11], заключается в сле-
дующем. При поглощении инфракрасных из-
лучений газом (или паром), последний нагре-
вается, вследствие чего повышается его давле-
ние. Если облучение газа потоком инфракрас-
ных лучей происходит прерывисто, то измене-
ние давления имеет пульсирующий характер.
Воздействуя этим переменным давлением на
микрофон, можно получить э. д. с. как функ-
цию способности газа поглощать лучи, т. е.
как функцию концентрации компоненты этого
газа в исследуемой газовой смеси.
Поток прерывистой инфракрасной радиа-
ции, проходя через анализируемую газовую
смесь, теряет в ней часть лучистой энергии,
пропорциональную концентрации определяемой
компоненты газовой смеси. Прошедший через
рабочую камеру поток инфракрасной радиации
попадает в лучеприемник, которым является
также оптико-акустическая камера, заполнен-
ная газом, содержание которого в испытуемой
газовой смеси подлежит определению.
Колебания температуры, а следовательно, и
колебания давления газа в лучеприемнике яв-
ляются, таким образом, функцией концентра-
ции искомой компоненты газовой смеси, про-
текающей через рабочую камеру. В камере,
служащей лучеприемником, и помещается мик-
рофон.
Описываемым методом нельзя производить
анализ лишь элементарных одноатомных и
двухатомных газов: Не, Ne, Ar, N2, О2, Н2, так
как эти газы не поглощают в инфракрасной
части спектра. Поэтому чистый воздух (не со-
держащий углекислоты и паров) не поглощает
инфракрасных лучей. Все химические соедине-
ния в газообразном или парообразном состоя-
нии поглощают в инфракрасной части спектра.
Таким образом, открывается широкая возмож-
ность анализа содержания различных газов
в смеси с воздухом. Поэтому данный метод
применим в весьма широкой области практиче-
ского анализа газов и паров.
Структурная схема дифференциального
оптико-акустического газоанализатора, разра-
ботанного Н. П. Сыромятниковым, В. А. Пав-
ленко и А. П. Анисимовым, изображена на
фиг. 40-12.
Источником инфракрасной радиации явля-
ются два нихромовых излучателя 1 (питаю-
щиеся от отдельного понижающего трансфор-
матора через барретор; см. фиг. 40-13). Потоки
радиации, отражаясь от металлических сфери-
ческих зеркал 2, поступают в два оптических
канала, прерываясь обтюратором 3 шесть раз
в секунду одновременно в обоих каналах (кон-
денсаторный микрофон 4, используемый в дан-
ном приборе, имеет наибольшую чувствитель-
ность при частоте 6 гц).
В правом оптическом канале расположена
рабочая камера 5, через которую непрерывно
протекает анализируемая газовая смесь (после
соответствующей очистки), в левом канале на-
ходится сравнительная камера 5', заполненная
той же газовой смесью, в которой искомая
компонента имеет начальную концентрацию
(например, при измерении концентрации СО
в воздухе сравнительная камера заполняется
чистым воздухом).
Далее потоки радиации проходят через
фильтровые камеры 6 (назначение которых по-
яснено ниже) и поступают в приемные камеры
дифференциального лучеприемника 7, в кото-
ром расположен микрофон, отделяющий обе
] 8 А. М. Туричии.
камеры лучеприемника друг от друга. Эта ка-
мера заполнена газом, содержание которого
в испытуемой газовой смеси подлежит измере-
нию.
Если через рабочую камеру протекает газо-
вая смесь такой же концентрации (началь-
ной), как в сравнительной камере, то на обе
стороны мембраны микрофона действуют оди-
наковые давления, и мембрана остается не-
подвижной. При увеличении концентрации ис-
пытуемой газовой смеси сверх начальной, по-
ток радиации поглощается в рабочей камере,
и в правую камеру лучеприемника 7 попадает
Фиг. 40-12. Структурная схема дифференциаль-
ного оптико-акустического газоанализатора
ослабленный поток радиации. Вследствие этого
мембрана будет испытывать разные давления
с обеих сторон и придет в колебательное дви-
жение.
Может случиться, что некоторые из неиз-
меряемых компонент испытуемой газовой сме-
си имеют полосы поглощения в инфракрасной
области спектра, близкие или даже перекры-
вающие полосы поглощения измеряемой ком-
поненты. Это обстоятельство может явиться
источником значительной погрешности, поэто-
му и используются фильтровые камеры 6, за-
полненные таким веществом, которое погло-
щает неизмеряемые компоненты испытуемой
газовой смеси.
Микрофон включен в цепь усилителя 9, ко-
торый питается от электронного стабилизатора
напряжения. На выходе усилителя, через вы-
прямитель 8 (в описываемом газоанализаторе
использован механический выпрямитель, рабо-
тающий от синхронного двигателя, вращающе-
го обтюратор 3) включен гальванометр авто-:
магического компенсатора типа .СП.
Т Следящее устройство этого компенсатора
связано с движком реохорда 9 в цепи питания
излучателя правого оптического канала и пере-
мещает этот движок до тех пор, пока потоки
радиации и давления в обеих камерах луче-
приемника не станут одинаковыми и мембрана
перестанет колебаться. Тогда на входе усили-
теля исчезнет переменная составляющая на-
пряжения, и стрелка гальванометра компенса-
тора СП будет на нуле.
Каждая из камер оптико-акустического га-
зоанализатора (рабочая, сравнения и фильтро-
вые) представляет собой массивный корпус
~127в
МПБ
ИЗЛ
Фиг. 40-13. Схема электрических цепей дифференциального оптико-акустического
Ь
газоанализатора
с цилиндрическим каналом, поверхность кото-
рого тщательно полирована и хромирована для
того, чтобы потери лучистой энергии вслед-
ствие отражения от стенок при прохождении
лучей через камеру были наименьшими.
Камеры с обеих торцевых сторон закрыты
установленными на клее пластинками, пропу-
скающими инфракрасные лучи. Такие прозрач-
ные материалы, как стекло, кварц или слюда,
пропускают лучи только длиной волны до
2,5; 4,4; 5,3 мкн соответственно. Источники же
инфракрасной радиации генерируют лучи от
1,5 до 8 мкн. Таким образом, стекло, кварц и
слюда пропускают только ограниченную часть
инфракрасной радиации,
В первоначальных конструкциях оптико-
акустических газоанализаторов камеры закры-
вались флуоритом (CaFa), пропускающим лу-
чи до 9 мкн. Однако этот минерал весьма
дорог.
В описываемой конструкции оптико-акусти-
ческого газоанализатора окошки в камерах вы-
полнены из искусственно получаемого фтори-
стого лития (LiaFa), пропускающего требуемую
область инфракрасной радиации.
Измерительная цепь описываемого прибора
изображена на фиг. 40-13. Первая ступень уси-
лителя, к управляющей сетке которого подво-
дится напряжение с
конденсаторного- мик-
рофона М, крепится не-
посредственно к изме-
рительной камере пре-
образователя и соеди-
няется пятижильным
экранированным кабе-
лем с остальной частью
измерительной цепи.
Эта ступень усилителя
работает в режиме ка-
тодного повторителя.
Вторая и третья
ступени усилителя со-
браны (как и первая)
на пентоде 6Ж8. В чет-
вертой ступени усиле-
ния по напряжению и
усилителе мощности
(работающем в режи-
ме катодного повтори-
теля)
использован
двойной триод 6Н9.
Падение напряже-
ния на нагрузке усили-
теля мощности через
разделительный кон-
денсатор С\ включается на механический вы-
прямитель МВ, работающий от того же дви-
гателя, который вращает обтюратор; таким
образом достигается синхронизация работы
выпрямителя с модулированием светового по-
тока, т. е. с частотой поступающего в усили-
тель сигнала.
Напряжение с нагрузки усилителя мощно-
сти после выпрямления поступает в емкостно-
реостатный фильтр, на выходе которого вклю-
чен нулевой гальванометр автоматического
компенсатора СП.
Для устойчивости против самовозбуждения
в усилителе предусмотрены местные обратные
связи: частотно-независимая через сопротив-
ление Ri и частотно-зависимая обратная связь
через емкость С2, что ограничивает полосу про-
пускания усилителя частотами 6+2 гц.
Так как значения переменного напряжения
на входе всех ступеней усиления чрезвычайно
малы (на выходе последней ступени усиления
напряжение, поступающее на гальванометр
СП, составляет доли мв), то необходимо ис-
ключить помехи от цепей накала. Поэтому
цепи накала ламп питаются постоянным током
(от селенового выпрямителя СВ и трансформа-
тора через сглаживающий фильтр Ф). От это-
го же трансформатора питаются излучатели
ИЗЛ, включенные последовательно. Ток в из-
лучателях стабилизирован барреторами Б. Па-
раллельно одному из излучателей включен
реохорд Г1, управляемый через следящее
устройство компенсатора СП (см. § 24-4).
Для дублирования показаний СП стрелоч-
ным прибором, на одном валу с движком рео-
хорда г\ помещен движок второго реохорда г2,
включенного в цепь магнитоэлектрического
милливольтметра типа МПБ, показания кото-
рого являются, таким образом, функцией поло-
жения движка реохорда и; шкала этого мил-
ливольтметра градуирована в единицах изме-
ряемой концентрации.
Анодные цепи ламп усилителя питаются че-
рез электронный стабилизатор напряжения.
Температура внутри корпуса преобразова-
теля стабилизирована биметаллическим термо-
регулятором РТ1. В качестве нагревателей
использованы серийные остеклованные сопро-
тивления.
Нагреватели и двигатель обтюратора пи-
таются от сети напряжением 220 в.
§ 40-4. Магнитные газоанализаторы
Газоанализаторы этого типа используют
парамагнитные свойства газов. В табл. 40-2
приведены значения магнитной восприимчиво-
сти некоторых газов.
Таблица 40-2
Газ Магнитная восприимчивость Х*108 единиц CGS р.Р
Кислород ч- 142
Окись азота 4-60
Воздух 4-30,8
Двуокись азота .... 4-9
Этилен + 3
Метан + 1
Водород — 0,164
Углекислый газ ... . — 0,84
Как видно из таблицы, кислород обладает
значительно большим значением магнитной
восприимчивости, чем остальные газы. Это
обстоятельство может быть использовано для
анализа содержания Ог в газовой смеси.
Для парамагнитных газов имеет место сле-
дующая зависимость удельной магнитной вос-
приимчивости 7 от абсолютной температуры Т:
(40-1)
где С — постоянная Кюри.
Понимая под удельной магнитной воспри-
имчивостью значение
7 —
Р
где х—магнитная восприимчивость, а р — плот-
ность вещества, и выразив р как
РМ
р ~ RT ’
где Р — давление, R — газовая постоянная,
а Л4— молекулярный вес газа, получим:
СМ р
Я Р ‘
(40-2)
Непосредственное измерение магнитной вос-
приимчивости кислорода представляет значи-
тельные трудности, и приборы, основанные на
измерении магнитной восприимчивости кисло-
рода (магнитные крутильные весы), нашли
ограниченное применение в некоторых случаях
лабораторной практики анализа газов на кис-
лород.
Практическое применение получили лишь
газоанализаторы, использующие вторичные яв-
ления, связанные с парамагнитностью кисло-
рода. К таким явлениям относятся: а) эффект
изменения теплопроводности парамагнитного
газа под влиянием однородного магнитного
поля и б) эффект термомагнитной конвекции
(«магнитный ветер»), возникающий в пара-
магнитном газе в неоднородном магнитном
поле, если различные участки (объемы) пара-
магнитного газа имеют неодинаковую темпе-
ратуру.
Магнитное поле вызывает уменьшение вяз-
кости, а следовательно, и теплопроводности га-
за; при этом теплопроводность уменьшается
почти в два раза сильнее, чем вязкость.
Уменьшение теплопроводности зависит от
напряженности магнитного поля, давления и
температуры.
Сущность явления термомагнитной конвек-
ции заключается в том, что с повышением тем-
пературы магнитная восприимчивость кислоро-
да уменьшается [см. уравнение (40-2)]. Холод-
ная часть газа, обладая, следовательно, боль-
шей магнитной восприимчивостью, будет стя-
гиваться в область более сильного поля, т. е.
к электромагниту (или к магниту), выталки-
вая нагретые слои газа.
Фиг. 40-14. Принципиальная
схема магнитного газоанали-
затора на О3 на принципе
теплопроводности
Чем выше концентрация кислорода в иссле-
дуемой газовой смеси, тем, естественно, силь-
нее выражены упомянутые выше эффекты. Тех-
ническое использование обоих эффектов в га-
зоанализаторах на кислород идет по пути
применения термосопротивлений, как и
в большинстве рассмотренных выше газоана-
лизаторов.
Магнитные газоанализаторы на принципе
теплопроводности обладают малой чувстви-
тельностью и потому практически не исполь-
зуются.
Значительно более чувствительны магнит-
ные газоанализаторы, использующие эффект
термомагнитной конвекции.
На фиг. 40-14 показана принципиальная
схема прибора, использующего изменение теп-
лопроводности парамагнитного газа. Испытуе-
мый газ проходит по камере 1 преобразователя
и, разветвляясь, омывает две платиновые про-
волоки. Проволока 2 находится в сильном маг-
нитном поле, образованном постоянным магни-
том 3, другая нить 2' — вне поля. Обе нити
включены в схему одинарного моста. Измене-
ние теплопроводности газа, омывающего левую
нить, вызывает изменение ее температуры,
а следовательно, и сопротивления.
Наличие следов водорода может явиться
источником весьма значительной погрешности
измерения.
Для того чтобы избежать смещения нити
под воздействием механических сил, возникаю-
щих в результате взаимодействия нити с током
и магнитного поля, приходится питать мост пе-
ременным током повышенной частоты. Приме-
няются нити, заплавленные в кварц и выпол-
ненные бифилярно. В этом случае можно
прибор питать постоянным током, что позво-
ляет использовать магнитоэлектрический изме-
ритель высокой чувствительности (на перемен-
ном токе, как правило, приходится прибегать
к ламповым усилителям).
Преобразователь помещается в термостат
для исключения температурной погрешности
прибора.
На фиг. 40-15 показана принципиальная
схема устройства магнитного газоанализатора,
разработанного М. М. Файнбергом [Л. 81].
Преобразователь представляет собой кольце-
вую камеру с горизонтальной трубкой, на ко-
торую намотана платиновая спираль, разде-
ленная на две секции. У одного из краев об-
мотки расположены полюсные наконечники
постоянного магнита, следы полюсов которого
в плоскости чертежа заштрихованы. Газ вхо-
дит в камеру снизу, а выходит сверху. Так как
слева от магнита находится более холодный
Фиг. 40-15. Принципиальная
схема магнитного газоанализа-
тора на О2 М. М. Файнберга
газ, чем с другой стороны, то поток его устрем-
ляется через горизонтальную трубку слева на-
право. При этом скорость газа в горизонталь-
ной трубке пропорциональна концентрации
кислорода в испытуемой газовой смеси.
Нагревательные спирали одновременно слу-
жат термоанемометрами. Левая половина об-
мотки охлаждается холодной смесью, посту-
пающей из камеры, а во вторую (правую) по-
ловину горизонтальной трубки газовая смесь
поступает достаточно нагретой, благодаря чему
охлаждение правой секции обмотки значитель-
но меньше, чем левой. Токи в обеих половинах
обмотки следует подобрать таким образом,
чтобы разность температур этих обмоток бы-
ла наибольшей. Обе половины (секции) на-
мотки включены в два соседних плеча одинар-
ного моста.
Чувствительность газоанализатора характе-
ризуется следующими цифрами: при 100% кис-
лорода напряжение на измерительной диаго-
нали моста достигает 60—100 мв. Подобные
газоанализаторы выполняются на предел из-
мерения 0—10% кислорода.
Теплопроводность остальных компонент
газовой смеси не влияет на показания прибора;
однако показания зависят от вязкости и тепло-
емкости газовой смеси. Вязкость влияет на
скорость движения газового потока в горизон-
тальной трубке, а теплоемкость определяет ко-
личество тепла, передаваемого от трубки
к газу. Для большинства случаев анализа на
кислород эти погрешности невелики.
Глава сорок первая
МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ
§ 41-1. Принцип действия
Масс-спектрометром назван прибор, служа-
щий для анализа газовых смесей методом по-
лучения спектра масс всех положительно заря-
женных ионов исследуемой газовой смеси.
Получение положительно заряженных ионов
всех элементов, составляющих газовую смесь,
осуществляется бомбардировкой газовых моле-
кул электронами.
Получаемый спектр масс позволяет обна-
ружить не только отдельные элементы, состав-
ляющие газовую смесь, но и их изотопы. На-
значение и использование первых масс-спектро-
метров было подчинено именно задаче откры-
тия и исследования изотопов различных хими-
ческих элементов. Следует отметить, что масс-
спектрометром были исследованы практически
все элементы, путем перевода их в газовую
фазу, для чего сконструированы соответствую-
щие ионизационные камеры.
В настоящее время область применения
масс-спектрометров охватывает ряд случаев
технического анализа, например различных
масел (в нефтяной промышленности). Следует
отметить успешное применение масс-спектро-
метра при контроле процессов откачки вакуум-
ных приборов и других производственных про-
цессов.
В основе разделения ионов по их массам
лежит одновременное воздействие на них элек-
трического и магнитного полей, благодаря ко-
торым ионы различных масс движутся по раз-
ным траекториям.
Положим, что ион массой m и зарядом е
(фиг. 41-1) движется в плоскости XOY со ско-
ростью v в магнитном поле, вектор индукции
В которого направлен в плоскости XOZ. Тогда
на ион действует сила F, направленная по оси
ОХ и равная
F = cvB. . (41-1)
Так как сила F перпендикулярна скоро-
сти и, то движение иона будет характери-
зоваться постоянным угловым ускорением,
а траектория, которую опишет ион, будет
представлять собой окружность в плоско-
сти XOY радиусом г.
Фиг. 41-1. к вопросу о принци-
пе действия масс-спектрометра
С другой стороны, ион с массой т, двигаю-
щийся со скоростью v вдоль окружности ра-
диусом г, будет испытывать центробежную си-
лу F', равную:
F’~
mv~
г
(41-2)
Так как силы F и F’ равны друг другу и
противоположны по знаку, то можно написать:
п mv2
evB =--------------------,
г
или
еВ =
mv
г
(41-3)
Положим теперь, что ион массой m и за-
рядом е приобретает свою скорость под воз-
действием электрического поля, потенциал
которого равен U; в этом случае потенциаль-
ная энергия eU, полученная ионом, должна
„ „ mvi
быть равна его кинетической энергии ,
обусловленной воздействием электрического
потенциала, иначе говоря,
откуда
(41-4)
Подставляя выражение для v из уравне-
ния (41-4) в уравнение (41-3), получим:
m____Б2 г2
’
(41-5)
Последнее выражение и лежит в основе
действия масс-спектрометров, позволяя по ра-
диусу траектории движения иона определить
Фиг. 41-2. Принцип устройства масс-спектрометров
массу иона, если известен его заряд. Подбирая
значения В и U, можно выделить из газовой
смеси лишь ионы с определенным значением
m
— , описывающие определенную траекторию,
и, таким образом, произвести отделение тех
или других ионов из газовой смеси.
Принципиальное устройство масс-спектро-
метров показано на фиг. 41-2. Испытуемый газ
вводится под небольшим давлением в иониза-
ционную камеру, где он подвергается бомбар-
дировке пучка электронов; образованные таким
путем положительные ионы получают ускоре-
ние под воздействием электрического поля,
обусловленного разностью потенциалов Д U.
Вылетая с определенной скоростью из иониза-
ционной камеры через щель 1, ионы попадают
(через щель 2) в камеру, где действует маг-
нитное поле, вектор индукции В которого на-
правлен перпендикулярно плоскости чертежа.
В зависимости от значения ионы опишут
траектории (окружности) с различными ра-
диусами кривизны. Ионы, двигающиеся по
окружности радиусом г3, пройдут через щель
3 на металлическую пластинку (коллектор) и
отдадут последней свой заряд. Коллектор со-
единен через сопротивление В с землей. Элек-
трический ток, значение которого определяется
количеством ионов, отдающих свой заряд кол-
лектору в единицу времени, создает на сопро-
тивлении В падение напряжения, которое уси-
ливается ламповым усилителем постоянного
тока и регистрируется самопишущим измери-
телем Г на выходе усилителя.
Изменяя индукцию В магнитного поля, со-
здаваемого электромагнитом, при постоянном
напряжении U, создающем электрическое поле,
или, наоборот, изменяя U при постоянном В,
мы тем самым даем возможность ионам раз-
личных масс попадать через щель 3 на кол-
лектор. Таким образом, изменяя В или U в до-
статочно широких пределах, можно на диа-
грамме измерителя Г записать кривую, имею-
щую ряд пиков (фиг. 41-3); каждый пик кри-
U или в
Фиг. 41-3. Вид кривой изме-
ряемой концентрации, запи-
сываемой масс-спектрометром
вой соответствует ионам определенной массы
(точнее, определенному значению ~ ). Высо-
та каждого пика является критерием концент-
рации ионов данной массы в газовой смеси.
Пучок ионов, вступающий в область (ка-
меру) магнитного поля, имеет ширину, опреде-
ляемую шириной щели 1 (фиг. 41-2), и угол
расхождения, определяемый геометрическими
размерами ионизационной камеры и системы
диафрагм (щелей). Поэтому, для того чтобы
собрать все ионы с определенным значением
~ , щель 3 должна быть шире, чем щель 1.
Кроме того, при определенной напряженности
электрического поля, кинетические энергии
ионов (при той же интенсивности потока элек-
тронов), покидающих ионизационную камеру,
будут несколько различны для отдельных
ионов того же рода, что вызывает необходи-
мость в дополнительном увеличении ширины
щели 3 с тем, чтобы все ионы с определенным
m j
вылетевшие через щель 1, попали на кол-
лектор.
В современных масс-спектрометрах траек-
тория ионов поворачивается под влиянием маг-
нитного поля не на 180°, а на меньший угол,
что облегчает выполнение электромагнита.
§ 41-2. Применение масс-спектрометров
для контроля утечки аппаратов высокого
вакуума методом измерения концентрации
гелия в воздухе
Принципиальная схема установки изобра-
жена на фиг. 41-4. Испытываемая аппаратура
откачивается насосом до тех пор, пока вакуум
К испытуемой
аппаратуре
Фиг. 41-4. Принципиальная схема
установки для обнаружения течи -в
вакуумных аппаратах при помощи
масс-спектрометра
в установке (измеряемый, например, иониза-
ционным манометром) не достигнет заданного
значения. После этого открываемся вентиль
масс-спектрометра и испытуемый/ аппарат об-
дувается тонкой струей гелия. При наличии
течи в объекте измерения ионы/гелия прони-
кают в масс-спектрометр и концентрация их
указывается измерителем на выходе измери-
тельной цепи масс-спектрометра^ Описываемые
приборы для обнаружения течи в вакуумных
аппаратах часто снабжают сигнальным устрой-
ством (звуковым или световым), срабатываю-
щим при наличии течи.
Устройство преобразователе описываемого
масс-спектрометра изображено на фиг. 41-5.
Преобразователь представляет собой трубу,
два колена которой изогнуты под некоторым
углом. Верхняя часть трубы образует иониза-
ционную камеру 1, в которую под небольшим
давлением вводится исследуемая газовая
смесь. В ионизационной камине (см. разрез по
А А) помещается нить накала, питаемая
электрическим током. Электроны, выбрасывае-
мые нитью накала, бомбардируют газовые мо-
лекулы, образуя, таким образом, положительно
заряженные ионы газа. Система электродов,
расположенных в ионизационной камере, со-
здает ускоряющее ионы электрическое поле.
Ионы покидают ионизационную камеру через
щель в диафрагме 2 с определенной скоростью
и, пройдя через щели диафрагм 3 и 4, попа-
дают в колено трубы, где подвергаются воз-
действию постоянного магнита 5 с полюсами
клинообразной формы, вследствие чего ионы
Фиг. 41-5. Преобразователь масс-спектрометра для
обнаружения течи в вакуумных аппаратах
с различным значением начнут движение
в нижнем колене трубы с различными траекто-
риями.
Пройдя еще две диафрагмы (6 и 7) со ще-
лями, ионы попадают на коллектор 8, защи-
щенный системой экранов (9, 10 и 11) от воз-
„ т
действия зарядов ионов, имеющих значение —-
близкое к таковому у выделяемого (испытуе-
мого) иона.
В нижнем же колене помещена электрон-
ная лампа, являющаяся первой ступенью уси-
лителя напряжения на сопротивлении /?.
Диафрагмы 3 и 4 предназначены для того,
чтобы увеличить гидравлическое сопротивление
на пути потока ионов, благодаря чему давле-
ние в ионизационной камере выше, чем давле-
ние в трубе, что способствует образованию
в ионизационной камере большего количества
ионов (при той же интенсивности потока элек-
тронов) .
..
А
Труба масс-спектрометра соединена с систе-
; мой насосов, поддерживающих в трубе опреде-
; ленный вакуум. Необходимость вакуума в тру-
; бе диктуется следующими соображениями.
' Длина свободного пробега иона должна быть
; больше, чем длина трубы, с тем, чтобы пред-
J отвратить возможность столкновения исследуе-
i мых ионов с молекулами воздуха в трубе. Кро-
) ме того, срок службы ти накала, как из-
: вестно, в значительной ел : ни зависит от ва-
t куума и при давлениях выше • 10~3 мм рт. ст.
крайне низок.
При индукции магнитного \ля, равной
0,009 вб/м2, и радиусе кривизны .юлена трубы
в б см, ионы гелия с удельной массой 4 фоку-
; сировались на щели последней диафрагмы (пе-
; ред коллектором) при напряжении, создаю-
щем электрическое поле, равном 243. в.
• Для точных измерений масс-спектромс :>ом
J концентрации отдельных составляющих г.
вой смеси необходимо соблюдение ряда уел.
вий.
1. Эмиссия электронов нитью накала долж-
| на регулироваться таким образом, чтобы поток
< ионов в трубе поддерживался постоянным. Ре-
I гулирование эмиссии электронов осуществляет-
' ся прибором, контролирующим парциальное
; давление ионов в трубе. Выполнение подобного
; регулирования осуществляется средствами
? ламповой техники по показанию ионизационно-
i го вакуумметра, измеряющего парциальное
; давление исследуемых ионов в трубе.
2. При записи ламповым компенсатором
i диаграммы масс ионов элементов, составляю-
: щих газовую смесь, перемещение диаграммной
( бумаги последнего необходимо согласовать
j с изменением U (при постоянном В) или с из-
s менением В (при постоянном U); в последнем
случае, естественно, магнитное поле должно
создаваться электромагнитом, а не постоян-
ным магнитом. Для этой цели необходимо
кинематически связать движок реостата, управ-
ляющего током электромагнита (или напряже-
нием) , создающего электрическое поле, с меха-
низмом, управляющим перемещением диа-
граммной бумаги в компенсаторе.
В современных масс-спектрометрах преду-
сматривается, кроме того, ряд устройств, уве-
личивающих точность и чувствительность из-
мерения. К ним следует отнести устройство для
ускоренного движения диаграммной бумаги
в промежутках между пиками диаграммы масс,
т. е. между пиками ионного тока, и устройство
для замедления движения бумаги во время
пика записи, что увеличивает точность записи
пика.
При использовании для разделения ионов
изменения индукции магнитного поля, что
представляет особый интерес в тех случаях,
когда приходится прибегать к высоким напря-
жениям для создания электрического поля (по-
чка нескольких киловольт), измерение силы
тока в электромагнитах для нанесения шкалы
масс не дает точных результатов, так как труд-
но учесть влияние гистерезиса и рассеяния
магнитного потока. Поэтому шкала масс нано-
сится на диаграммную бумагу путем непосред-
ственного измерения индукции магнитного по-
тока в воздушном зазоре электромагнита. Из-
мерение производится посредством катушки,
вращающейся с постоянной скоростью (син-
хронным двигателем) в магнитном поле, по
величине индуктируемой в ней э. д. с. Эта
э. д. с. пойле выпрямления приводит в действие
специально^ устройство, маркирующее диа-
граммную магу.
Г лава сорок вторая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕН! ВЛАЖНОСТИ
; § 42-1. Электрические приборы для измерения
влажности твердых тел (влагомеры)
5 Для электрических измерений влажности
твердых тел используется зависимость от влаж-
{ ности: 1) электропроводности, 2) диэлектриче-
> ской проницаемости и 3) диэлектрических
) потерь.
{ Следует отметить, что объект измерения
j (проба) представляет собой параллельное со-
j единение сопротивления постоянному току и
j емкости, причем отношение тока проводимости
1 к емкостному току определяется только удель-
ным сопротивлением и диэлектрической прони-
цаемостью материала, а также частотой напря-
жения, питающего измерительную цепь, и не
зависит от геометрической формы и величины
электродов преобразователя. Выбор метода
определяется характеристиками испытуемого
материала. Если ток проводимости (при вы-
бранной частоте) значительно больше емкост-
ного тока, то целесообразнее выбрать метод
электропроводности и наоборот.
Влагомеры на принципе электропроводно-
сти. Зависимост' сопротивления твердых тел
от влажности можно выразить показательной
функцией вида
где R— величина сопротивления;
А — постоянная, определяемая размерами
объекта измерения и содержанием
в нем солей;
W — влажность материала в процентах
(к весу сухого вещества).
Показатель степени п зависит от структуры
и природы испытуемого вещества. Для хлоп-
чатобумажных тканей значение п равно 8—10,
для шелковых и шерстяных тканей значение п
равно 15—16,5.
Метод электропроводности обладает значи-
тельной чувствительностью. Так, если п — 9,
то при увеличении влажности на 10%, т. е.
W
при тт = 1,1 (Wo—начальная влажность),
и/О
уменьшение сопротивления будет в 1,19 =
— 2,37 раза.
Для одного из выполненных приборов для
измерения влажности дерева, значения сопро-
тивления между иглами, вдавленными в дерево
на определенную глубину, изменялись в зави-
симости от влажности дерева следующим об-
разом:
Содержание влаги, % Сопротивление, мгом
7 25 000
10 630
13 68
16 11,6
19 3,1
22 1,15
25 0,473
Сопротивление твердых тел зависит не
только от влажности, но и от температуры объ-
екта измерения. Например, для фрезерного
торфа П. М. Плакк определил значение темпе-
ратурного коэффициента равным у = — 0,2 4-
—0,7% на градус; с ростом влажности зна-
чение отрицательного температурного коэффи-
циента увеличивается. Тот же автор предла-
гает для компенсации температурной погреш-
ности использовать полупроводник (терми-
стор), обладающий отрицательным и близким
по значению температурным коэффициентом,
включив его соответствующим образом (либо
последовательно с преобразователем, либо
в соседнее с преобразователем плечо моста).
В качестве примера опишем устройство вла-
гомера Центрального научно-ирследователь-
ского института хлопчатобумажной промыш-
ленности (ЦНИИХБП) [Л. 9], использующего
автоматический мост для измерения и записи
влажности ткани.
На фиг. 42-1 показана принципиальная схе-
ма измерительной цепи этого влагомера. Испы-
туемая ткань пропускается между роликом и
валом машины, причем ролик изолирован от
вала. Основным элементом цепи является мост,
два плеча которого (Ri и Rs) представляют
постоянные сопротивления, а два другие плеча
Фиг. 42-1. Схема измерительной цепи влагомера,
использующего автоматический мост
образованы внутренними сопротивлениями
двойного триода Л. В диагональ моста вклю-
чен гальванометр Г. Отрицательное напряже-
ние Uc на сетке левой половины лампы опре-
деляется падением напряжения на сопротивле-
нии RK, включенном в цепь катода лампы, и
является практически постоянным. Поэтому
постоянным будет и внутреннее сопротивление
левого триода лампы.
Отрицательное напряжение на сетке пра-
вого триода лампы отличается от Uc на вели-
чину падения напряжения в сопротивлении R§,
равного IR6, где I—ток, текущий через сопро-
тивление R5. Этот ток зависит, с одной сто-
роны, от электрического сопротивления Rx
ткани, проходящей между роликами, а с дру-
гой стороны, от положения движка реохорда R2.
Движок реохорда R2 при отклонении гальва-
нометра Г от нулевого положения (т. е. при
нарушении равновесия моста) приводится в дви-
жение кинематическим устройством компенса-
тора СП до тех пор, пока падение напряже-
ния на нем не уравновесится падением напря-
жения на R6 и R7. При этом ток / в сопро-
тивлении /?6 будет уменьшаться до нуля, когда
напряжения смещения обоих триодов станут
равными и мост придет в состояние равнове-
сия. При изменении влажности, а следова-
тельно, и сопротивления ткани между роли-
ком и валом в сопротивлении R& снова поя-
вится ток, мост выйдет из равновесия, и дви-
жок снова начнет перемещаться в таком на-
правлении, чтобы ток в уменьшался до но-
вого равновесия моста. _______
влоакнастЬ 6 6ecoSt>a процентах
Фиг. 42-3. Преобразо-
ватель емкостного
влагомера на прин-
ципе диэлектрической
проницаемости
Фиг. 42-2. Кривая зависимости
емкости конденсатора с ди-
электриком в виде волокна или
пряжи от влажности, выражен-
ной в весовых процентах
Таким образом, каждому значению влаж-
ности ткани будет соответствовать определен-
ное положение движка реохорда и связанной
с ним стрелки, переме-
щающейся по шкале при-
бора.
Питание цепи постоян-
ным током (напряжение
UAB) производится от се-
ти переменного тока 120
или 220 в при помощи ке-
нотронного выпрямителя
(на фигуре не показан) и
делителя напряжения, со-
ставленного из сопротив-
лений Ri, R2 и R3.
Погрешность описан-
ных влагомеров ткани со-
ставляет + 0,5 весовых
процентов влажности при
пределе измерения в 13—
15 весовых процентов
влажности.
Влагомеры на прин-
ципе диэлектрической проницаемости. J3 § 40-1
приводилась зависимость диэлектрической про-
ницаемости смеси из двух веществ от диэлек-
трических проницаемостей и объемных кон-
центраций компонент.
Так как вода имеет резко отличную ди-
электрическую проницаемость (sHO=81) от зна-
чений е для остальных веществ (е=1-г-6),
то диэлектрическая проницаемость твердых
тел значительно изменяется с изменением
влажности $тих тел.
На фиг. 42-2 показана кривая зависимости
емкости конденсатора с диэлектриком в виде
Фиг. 42-4. Схема измерительной цепи влагомера ВМ.-3 для измерения
влажности сыпучих тел (крупа, зерно), не содержащих солей
волокна или пряжи от влажности в весовых
процентах.
Емкостный влагомер (ЦНИИХБП) рабо-
тает по схеме моста с четырьмя емкостными
плечами (одно плечо выполнено в виде кон-
денсатора переменной емкости). Схема питает-
ся в одной модификации прибора от микро-
фонного прерывателя, а в другой модифика-
ции — от лампового генератора. Первый тип
прибора предназначен для работы в полевых
условиях — источником питания прерывателя
является сухая батарея на 4,5 в, второй тип
предназначен для работы в цеховых услови-
ях— ламповый генератор питается от сети
переменного тока.
Преобразователь, являющийся одним из
плеч моста, выполнен в виде цилиндрического
конденсатора (фиг. 42-3), заполняемого наве-
ской пряжи или волокна весом 50 г.
Мост уравновешивается конденсатором пе-
ременной емкости, шкала которого градуиро-
вана в процентах влажности. Нулевым при-
бором является выпрямительный прибор. Гра-
дуировка производится по серии образцов пря-
жи с различной (известной) влажностью.
Точность прибора 0,2—0,3 весовых процента
в пределах 0—14% влажности.
На фиг. 42-4 показана схема влагомера ти-
па ВМ-3, разработанного С. А. Цветковым
[Л. 61], для измерения влажности сыпучих пи-
щевых продуктов (крупа, зерно), не содержа-
щих электролитов. Прибор имеет три предела
измерения, перекрывающие диапазон влажно-
сти от 5 до 25 весовых процентов.
Преобразователь Сх, представляющий со-
бой два концентрических цилиндра, зазор меж-
ду которыми заполняется испытуемыми пище-
выми продуктами, включен в резонансный (по
напряжению) контур, образованный индуктив-
ностью Li и группой конденсаторов: Сь С2,
С3 — конденсаторы для изменения пределов
измерения прибора, С4 — настроечный конден-
сатор, Сз — градуировочный конденсатор. Ре-
зонансный контур и соединенное последова-
тельно с ним добавочное сопротивление в виде
конденсатора малой емкости С6 питаются от
лампового генератора высокой частоты, собран-
ного по схеме самовозбуждения на лампе 6С5
(Л1). Катушки L2 и Аз, индуктивно связанные
между собой, составляют анодный и сеточный
контуры генератора. Падение напряжения на
сопротивлении Ri, шунтированном конденса-
тором Ст, задает отрицательное смещение на
сетку лампы генератора. Конденсатор С8 и ка-
тушка Ь2 определяют частоту лампового гене-
ратора.
Измерительный контур при Сх, соответ-
ствующем минимальной влажности, настраи-
вается на частоту, близкую к частоте генера-
тора, с таким расчетом, чтобы при изменении
Сх напряжение на контуре возрастало по пря-
молинейному участку резонансной кривой.
Напряжение высокой частоты делится меж-
ду конденсатором С6 и контуром пропорцио-
нально их сопротивлениям, и падение напряже-
ния на контуре подается на сетку лампового
вольтметра (Л2), собранного также на лампе
6С5. Индуктивность Л4 является утечкой сетки,
конденсатор Са — высокочастотным шунтом
входа вольтметра.
Для того чтобы уменьшить влияние коле-
баний напряжения на работу прибора, в вольт-
метре применена отрицательная обратная
связь (цепь из сопротивлений R2, R3 и емко-
сти Сю).
Таким образом, на сетку лампы Л2 по-
дается напряжение не только от измеритель-
ного контура, но и отрицательное смещение,
равное падению напряжения на сопротивлении
R2. При малой емкости Сх преобразователя,
когда последний не заполнен испытуемым ве-
ществом, отрицательное смещение с R2 больше,
чем напряжение на измерительном контуре,
и лампа Л2 заперта. С увеличением Сх соб-
ственная частота контура удаляется от резо-
нансной, напряжение на измерительном кон-
туре растет, становится больше напряжения
запирания, и в анодной цепи лампы Л2 появ-
ляется ток, величина которого зависит от зна-
чения Сх, т. е. от влажности сыпучего веще-
ства, заполняющего преобразователь. Шкала
измерителя Г градуируется в весовых процен-
тах влажности.
Погрешность прибора не превосходит 0,5
весовых процента.
§ 42-2. Электрические приборы для измерения
влажности газов
Как известно, влагосодержание газа харак-
теризуется либо абсолютной, либо относитель-
ной влажностью. Под абсолютной влажностью f
понимают количество водяного пара (в г)
в 1 м3 газа.
Под относительной влажностью понимают
отношение веса водяного пара в 1 м3 смеси
к максимально возможному весу водяного пара
в 1 м3 при данной температуре. С достаточной
для практики точностью можно отношение ве-
сов заменить отношением парциальных дав-
лений.
Тогда
где индекс 5 относится к насыщению газа па-
рами воды. Обычно tf выражают в процентах:
<Р = £ 100%.
Электрические измерители влажности газов
используют психрометрический эффект, метод
точки росы, зависимость теплопроводности
смеси газа с водяным паром от содержания
пара в ней, зависимость электропроводности
гигроскопических материалов от влажности
воздуха. Наибольшее практическое применение
имеют измерители влажности, использующие
психрометрический эффект и метод точки росы.
Электрические психрометры. Психрометри-
ческий эффект заключается в охлаждении
увлажненной поверхности тела, происходящем
вследствие испарения с нее воды. Измерение
влажности газа психрометрами сводится
к определению разности температур двух тер-
мометров: сухого и увлажненного (мокрого);
в последнем термометре тепловоспринимаю-
щая часть все время должна оставаться влаж-
ной, для чего на нее обычно надевают чулок
из ткани, один конец которого опущен в сосуд
с водой. Чем меньше влажность испытуемой
среды, тем сильнее происходит испарение с по-
верхности мокрого термометра, тем ниже его
температура, тем, следовательно, больше так
называемая психрометрическая разность (раз-
ность показаний сухого и мокрого термо-
метров) .
В электрических психрометрах в качестве
термометров используются либо термометры
сопротивления, либо термоэлектрические пиро-
метры. Наиболее распространены психрометры,
с термометрами сопротивления.
Психрометрическая разность является
функцией не только влажности испытуемой
среды, но и ряда других факторов, из которых
главными являются: барометрическое давле-
ние, температура, скорость обтекания мокрого
термометра испытуемой средой, теплопровод-
Фиг. 42-5. Кривая зависимости
постоянной психрометра от
скорости воздуха
Зависимость относительной влажности от
психрометрической разности (tc — tM) ♦выра-
жается уравнением:
_PM-k(tc-tM) Р
'Р ~ Рс 760 ’
где Рм — упругость паров, насыщающих испы-
туемую среду при температуре tM
мокрого термометра;
Рс — упругость паров, насыщающих испы-
туемую среду при температуре tc су-
хого термометра;
Р — барометрическое давление;
k— постоянная психрометра, зависящая
в основном от параметров психро-
метра, скорости обтекания мокрого
термометра газом и температуры газа.
На фиг. 42-5 показан пример кривой зави-
симости k от скорости воздуха v для одного
из психрометров. Из этой кривой видно, что
скорость протекания газа желательно выбрать
возможно большей. Наибольшее значение пси-
хрометрической разности имеет место при бес-
конечной скорости, однако скорость протекания
газа порядка 4 м/сек уже гарантирует устой-
чивую работу психрометра.
На фиг. 42-6 показан разрез преобразова-
теля одного из психрометров. Преобразователь
представляет собой металлический корпус 1,
Фиг. 42-6. Преобразователь психрометра
внутри которого помещены два термосопротив-
ления. Термосопротивление 2 — сухой термо-
метр — сдвоенное; одно включается в описан-
ную ниже измерительную цепь, другое является
преобразователем термометра, показывающе-
го температуру. Термосопротивление 3 — мок-
рый термометр — обернуто влажной бумажной
Фиг. 42-7. Внешний вид преобразователя
психрометра
пряжей, всасывающей воду из сосуда 4, по-
мещенного внутри преобразователя. Вода
в сосуд поступает по трубе 5. Для поддержа-
ния постоянного уровня воды в сосуде служит
переливная трубка. Оба термосопротивления
помещены в трубку 6 из теплоизолирующего
материала, по которой при помощи вентилято-
ра 7 всасывается испытуемый воздух или газ,
поступающий и выходящий из преобразователя
через отверстия в корпусе.
На фиг. 42-7 показан внешний вид описы-
жаемого преобразователя психрометра. Цифра-
ми обозначены: 1 — алюминиевый корпус;
:2 — сухое термосопротивление; 3 — мокрое тер-
мосопротивление, обернутое влажной пряжей 7;
4 — резервуар для воды; 5 — вентилятор;
.6 — теплоизоляционная трубка, в которую
вставлены рабочие части термосопротивлеиий;
трубка состоит из двух частей: изогнутой ча-
сти — металлической и прямых частей — тек-
столитовых. Прямой участок текстолитовой
•трубки у мокрого термосопротивления имеет
Фиг. 42-8. Схема измерительной цепи психрометра,
использующего автоматический компенсатор СП
’несколько меньший диаметр (для увеличения
•скорости), чем прямой участок у сухого термо-
сопротивления. Цифрой 8 обозначен штуцер,
через который вода из отдельного бака посту-
пает в резервуар 4. Цифрой 9 обозначено ре-
шетчатое окно, через которое испытуемый газ
засасывается в преобразователь.
Принципиальная схема измерительной цепи
•описанного психрометра (фиг. 42-8) представ-
ляет собой два одинарных моста: /?,, R2, R3,
_Rtc и R-j, R8, Re, RfM, в один из которых вклю-
чено в качестве плеча сухое термосопротив-
ление Rt , а в другой — мокрое термосопро-
-тивление RtM. Цепь работает на компенсаци-
онном принципе с использованием автомати-
ческого компенсатора СП. Одной из задач
измерительной цепи является компенсация вли-
яния изменения окружающей температуры на
.показания психрометра.
Анализ зависимости между температурами
сухого и мокрого термосопротивлеиий и отно-
сительной влажностью приводит (с достаточной
для практических целей точностью) к семей-
ству прямых (фиг. 42-9), пересекающихся в одной
точке.. Эти прямые позволяют выразить отно-
сительную влажность <р как функцию отноше-
ния
где tM — температура мокрого термосопротив-
ления;
tc — температура сухого термосопротивле-
ния;
m и п — координаты точки пересечения пря-
мых.
Разность потенциалов Uab на вершинах ab
диагонали моста с мокрым термосопротивле-
нием RtM является функцией В диа-
гональ ес моста с сухим термосопротивле-
нием Rtc включен реохорд компенсатора; ток 1ес
в нем является функцией (^.-|-п), следова-
тельно, и падение напряжения Оег на участке ег
этой диагонали является функцией (Zc-|-n)-
Оба моста работают в неравновесном режиме.
Фиг. 42-9. Кривые зависимости
температур сухого и мокрого
термометров от относительной
влажности
Ток 1Г в гальванометре, включенном со-
гласно фиг. 42-8 в цепь напряжений измери-
тельных диагоналей обоих мостов, равен:
I =U^~Uer .
При компенсации, т. е. при равенстве нулю
тока в гальванометре,
Ц»Ь = ег ~ Цс^ег’
где R— сопротивление участка реохорда ег.
Отсюда имеем, при равновесии компенса-
тора:
, __Uab +
er~lec k^(tc + n}
Таким образом, шкала реохорда может
быть градуирована непосредственно в процен-
тах относительной влажности.
Уравновешивание компенсатора осущест-
вляется следящим устройством, описанным
в '§' 24-4.
В описываемом психрометре цепь фиг. 42-8
в действительности несколько упрощена за счет
объединения сопротивлений R\ и Ri, а также
/?з и кроме того, для питания обоих мостов
предусмотрен общий источник питания.
Фиг. 42-10. Окончательная схема измерительной цепи
психрометра, использующего автогиатический
компенсатор СП
Окончательная измерительная цепь психро-
метра изображена на фиг. 42-10. Цепь преду-
сматривает измерение относительной влажно-
сти (переключатель П в положении 7), а также
измерение температуры (переключатель П
в положении 2).
Сопротивления R5 и Re служат для огра-
ничения тока питания моста с мокрым термо-
сопротивлением RtM, а сопротивление 7?ю—
для регулировки чувствительности психромет-
ра в целом.
При измерении температуры включается
лишь мост с сухим термосопротивлением Rtc.
Сопротивления 7?ц и служат для создания
общей точки с постоянным потенциалом, к ко-
торой приключен один вывод гальванометра.
Электрические приборы для измерения
влажности газов на принципе точки росы. Как
известно, точкой росы называется та темпера-
тура, при которой имеющийся в газе водяной
пар насыщает его. Если тем или другим спо-
собом определить эту температуру, то по
соответствующим таблицам можно найти упру-
гость паров в газе, а следовательно, и относи-
тельную влажность (если известна темпера-
тура газа).
Из многочисленных примеров, использую-
щих этот принцип, представляют интерес те
приборы, в которых процесс измерения авто-
матизирован и является непрерывным во вре-
мени. В качестве примеров опишем два подоб-
ных прибора.
На фиг. 42-11 показана схема прибора,
использующего для наблюдения точки росы
зеркально отполированную поверхность полого-
цилиндра 1 из нержавеющей стали. Цилиндр
помещается в среде газа, влажность которого
измеряется. Через внутреннюю полость ци-
линдра непрерывно протекает охлаждающая
жидкость, температура которой может регули-
роваться электрическим подогревателем 2.
Включение электрического подогревателя
управляется электромагнитным реле 3, по об-
мотке которого протекает фототок фотоэлемен-
та F. Фотоэлемент освещается отраженным от
зеркальной поверхности цилиндра 1 световым
потоком лампы накаливания 4.
Если температура зеркала, т. е. стенок ци-
линдра 1, охлаждается до точки росы, то по-
являющийся туман на поверхности зеркала
уменьшает световой поток, падающий на фо-
тоэлемент, фототок уменьшается (примерно'
в два раза), и реле срабатывает, замыкая
цепь нагревателя 2. Температура охлаждаю-
щей жидкости подымается через некоторый
промежуток времени выше точки росы, туман
Фиг. 42-11. Схема устройства прибора для измерения
влажности по точке росы с использованием зеркала
и фотоэлемента
на зеркале исчезает, фототок возрастает в
реле выключает нагреватель, после чего снова
возникает процесс охлаждения зеркала до точ-
ки росы и т. д. Таким образом, температура
зеркального цилиндра непрерывно колеблется
около точки росы; соответствующим выбором
теплоемкостей цилиндра 1 и охлаждающей'
воды, а также мощности нагревателя можно-
колебания температуры цилиндра 1 сделать,
достаточно малыми.
Внутри цилиндра, в хорошем тепловом кон-
такте с его стенками, помещен преобразова-
тель Т термометра сопротивления (или термо-
пара), измеряющий температуру цилиндра,
т. е. точку росы. Измерителем является само-
пишущий прибор с точечной записью (с па-
дающей дугой) [Л. 64]. Реле 5, управляющее
перемещением (падением) дуги, в свою оче-
редь, управляется реле 3.
Таким образом, работа обоих реле синхро-
низирована и стрелка измерителя прижимается
дугой к диаграммной бумаге как раз в те мо-
менты времени, когда появляется туман на
зеркале, благодаря чему точность измерения
повышается. *
Другим примером использования точки
росы является прибор, в котором точка росы
наблюдается по возникновению гальваническо-
го контакта между платиновыми контактами,
расположенными на стекле, в момент конден-
сирования на стекле пара [Л. 47].
Преобразователь этого прибора показан на
фиг. 42-12,а. Трубка 1 соединена с объектом
измерения (например с фильтром, помещенным
в потоке дымовых газов, при измерении влаж-
ности последних). Испытуемый газ проходит
внутри трубки 2, мимо конца закрытой стек-
лянной трубки 3, и выходит наружу через
цилиндр 4 и вентиль 5, служащий для регу-
лирования скорости газа.
На конце закрытой трубки 3 расположены
два платиновых электрода, а также рабочий
спай термопары. Провода от электродов и тер-
мопары выведены на колодку с зажимами,
расположенную под коробкой 6.
Внутри цилиндра 7 помещена обмотка по-
догревателя воздуха, который засасывается
в цилиндр через отверстие S; это отверстие
может быть сообщено с трубкой для подвода
холодного воздуха извне, если температура
воздуха вблизи прибора близка к температу-
ре точки росы испытуемого газа. Воздух, от-
сасываемый через отверстие 8, идет сначала
через нагреватель, затем через небольшое сопло
к внутренней поверхности трубки 3 и выходит
наружу через контрольный кран 9. Выводы
нагревательной обмотки присоединены к зажи-
мам, расположенным под крышкой 10. Отвер-
стие 11 служит только для дренажа и нор-
мально закрыто столбом воды.
Измерительная цепь прибора показана на
фиг. 42-12,6. Платиновые электроды включе-
ны в цепь сетки, а подогреватель в цепь анода
тиратрона. Когда сопротивление между кон-
тактами (электродами) равно бесконечности,
Фиг. 42-12. Преобразователь и схема прибора для из-
мерения влажности по точке росы с использованием
гальванического контакта
тиратрон заперт и в цепи подогревателя тока
нет; трубка 3 охлаждается до тех пор, пока
на нижнем конце ее не конденсируется пар
(точка росы). В этот момент контакты за-
мкнутся, тиратрон откроется и в цепи подо-
гревателя появится ток. Воздух внутри труб-
ки 3 начнет нагреваться, роса исчезнет, и т. д.
Таким образом, температура конца трубки 3,
измеряемая термоэлектрическим пирометром,
все время колеблется вокруг точки росы.
В цепь сетки включен выпрямитель. По-
стоянный ток выбран из стремления избежать
смещения фаз между потенциалами анода и
сетки, которое может иметь место на перемен-
ном токе вследствие емкости линий связи
между преобразователем и измерительной
цепью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акулов Н. С. Ферромагнетизм. Госэиергоиз-
дат, 1939.
2. Архипов М. А. Исследование индукционной
телеметрической системы. «Точная индустрия», 1940,
№ 7—8.
3. Аркадьев В. К-, Электромагнитные процессы
в металлах, ОНТИ, 1936.
4. Арутюнов В. О. Расчет и конструкция элек-
троизмерительных приборов. Госэнергоиздат, 1949.
5. Б а й д а Л. И. н С е м е и к о в и ч А. А. Элек-
тронные усилители постоянного тока. Госэнергоиздат,
4953.
6. Б а р у н В. А. Мнкрогеометрня обработанной ме-
таллической поверхности и ее измерение. .Машгиз, 1948.
7. Березова В. Д. Автоматический рН-метр.
«Точная индустрия», 1940, № 7.
8. Беленький Л. И. Автоматический контроль
и регулирование концентрации растворов в отделочном
производстве. Гизлегпром, 1948.
9. Б е л е н ь к и й Л. И. Измерение величины pH
стеклянным электродом. «Заводская лаборатория»,
1950, № 11.
10. Беленький Л. И. и Швырев С. С.
Автоматизация хнмико-техвологического контроля на
отделочных текстильных фабриках, Гизлегпром, 1947.
11. (Вейигеров М. Л. Оптико-акустический ме-
тод анализа газов. «Заводская лаборатория», 1947, № 4.
12. Волохова В. А. и Ош ер И. Н. Мосты по-
стоянного и переменного тока, Госэнергоиздат, 1951.
13. Волков Д. И. О магиитоупругом методе из-
мерений деформаций и напряжений в деталях машин.
«Заводская лаборатория», 1947, № 9.
14. В о л ч о к Л. Я- Электрические методы измере-
ний в двигателях внутреннего сгорания. Машпиз, 1948.
15. В о р о н к о в Л. А. Автоматические электрон-
ные потенциометры (компенсаторы) н уравновешенные
мосты. Сб. Лонитоприбор. Новые теплоэнергетические
производственные приборы и регуляторы, Машгиз, 1953.
16. Вяхирев Д. А. Об аппаратуре для поляро-
графического анализа. «Заводская лаборатория»,
1948, № 5.
17. ,Г е й р о в с к и й Я. Полярографический метод.
Теория и практическое применение. ОНТИ, 1937.
18. Гер л их П. Применение фотоэлементов. Изд.
иностр, лит., 1952.
19. Г о и ч ар о в Н. Р. Определение напряжений
в деталях машин посредством тензометров и лаков.
Машпиз, 1946.
20. Горбачев ф. А. н Мел ко бродов Е. А..
Физические основы устройства и работы авиациоиных-
приборов. Оборонгиз, 1953.
21. Методы измерения температур в промышлен-
ности. Под ред. Гордова А. Н. Металлургиздат, 1952.
22. Гуревич А. М. Фотоэлектрические пиромет-
ры и измерение цветовой температуры. «Автоматика »
телемеханика», 1940, № 4.
23. Г у р е в и ч А. М. Объективный оптический пи-
рометр Ц. Л. А. «Заводская лаборатория», 1950, № 11-
24. Г у р е ви ч А. М. и Лернер А. Я. Измере-
ние температуры оптическими пирометрами. «Заводскаяг.
лаборатория», 1946, № 3.
25. Гутенмахер Л. И. Детекторные векторме-
ры. «Электричество», 1(938, № 7.
26. Г у т е нм а х ер Л. И. Электронно-ламповые-
вектормеры. «Автоматика и телемеханика», 1937, № 6-
27. Давнденков Н. Н. Струнный метод изме-
рения деформаций, ГТТИ, 1933.
28. Д е г т я р е в Н. В. Контрольио-иэмерительные-
,приборы для отопительно-вентиляционных установок.
Стройиздат, 1949.
29. Деревянко Д. Г. Сборник «Приборы для
определения окиси углерода, паров бензина и сероводо-
рода в воздушной среде». Изд. ЛИОТ, 1949.
30. Дэшман С. Научные основы вакуумной тех-
ники. Изд. иностр, лит., 1950.
31. Дьяченко П. Е., (Вайнштейн В. Э.,.
Левин Б. М., Беркович Е. С., Коломийце-
ва Т. С. Современные приборы для измерения неров-
ностей поверхности деталей машин. Изд. АН СССР,.
1950.
32. Жданов Г. М. Телеизмерение. Ч. 1. Госэиер-
гоивдат, 1952.
33. Захаров Ю. Г. Измерение средник и пульса-
ционных скоростей воздушного потока при помощи
термоаиемометра. Труды ЦАГИ, 1946.
34. Измерение механических величин электриче-
скими методами. Под. ред. Н. И. Прнгоровского, Маш-
гиз, 1952. ч
35. Карандеев К. Б. Методы электрических
измерений. Госэнергоиздат, 1952.
36. Карандеев К. Б. Мостовые методы измере-
ний. Гостехиздат Украинской ССР, 1953.
37. Кон др а ть ев Г. М. Об основных положе-
ниях теории регулярного режима. Труды ВНИИМ,
вып. 4 (5а). Ленинград, 1947.
38. К а л а н т а р о в П. Л. и Нейман Л. Р. Тео-
ретические основы электротехники. Госэнергоиздат,
1950.
39. Кирпиче® М. В., Михеев М. А. и Э й г е и-
сон Л. С. Теплопередача. Госэнергоиздат, 1940.
40. Коршунов И. А. и Р о>ст о ки и А. П. Но-
вые методы визуальных полярографов. «Заводская ла-
боратория», 1946, № 3.
41. Крапивенский Л. Л. Условия 'Наибольшей
чувствительности моста Витстона. Труды Лен. Индустр.
иист., 1936, № 5.
42. Куль буш Г. П. Электрические пирометры,
ОНТИ, 1932.
43. Левин М. М. Общие свойства измерительных
схем. «Электричество», 1946, № 2.
44. Л ялик о в Ю. С. Физико-химические методы
анализа. Металлургиздат, 1948.
45. Лукьянов С. Ю. Фотоэлементы. Изд. АН
СССР, 1948.
46. Майоров Ф. В. Магнитострикционный метод
и приборы для измерения давлений. Труды ЦАГИ,
1939.
47. М а с л е н н и к о в М. С. Контроль влажности
топлива, дымовых газов по точке росы. Госэнергоиздат,
1951.
48. М а к л а ш и н А, К. Измерение температуры
расплавленной стали термопарой с молибдено-кварце-
вым наконечником. Сб. Лонитоприбор. Новые тепло-
энергетические производственные приборы и регуля-
торы. Машгиз, 1953.
49. Михайлов А. А. и Нестеров В. И. Ре-
монт электроизмерительных приборов. Госэнергоиздат,
1953.
50. Мильштейн В. Н. Основы электрического
расчета индуктивных измерителей малых перемещений.
«Автоматика и телемеханика», 1940, № 2.
51. Михальчук Б. В. Современные фотоэлек-
трические колориметры. «Заводская лаборатория», 1947,
№ 8.
52. Михеев М. А. Основы теплопередачи. Гос-
энергоиздат, 1949.
53. Мостофин А. А. Электрические солемеры
для контроля качества пара и котловой воды. Госэнер-
гоиздат, 1951.
54. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в фер-
ромагнитных телах. Госэнергоиздат, 1949.
55. Нестеренко А. Д. Основы расчета электро-
измерительных схем уравновешивания. Изд. АН СССР,
1953.
56. Новицкий П. В. и Дружинин Н. И. Не-
которые новые вопросы исследования методом ЭГДА
19 А. М. Туричии.
иа моделях с ионной проводимостью. «Изв. ВНИИГ»,
1953, т. 50.
57. Новые методы измерения толщин. Изд. АН
СССР, 1946.
58. О р ш а и с к ий Д. Л. Новые пирометры и тер-
мометры сопротивления промышленного назначения.
Сб. Лонитоприбор. Новые теплоэнергетические произ-
водственные приборы и регуляторы, Машгиз, 1953.
59. 1П а в л е и к о В. А. Современные газоанализа-
торы. Сб. Лонитоприбор. Новые теплоэнергетические
производственные приборы и регуляторы, Машгиз, 1953.
60. Па л л ей С. С. и Крепе Б. И. Контроль,
толщины гальванических покрытий электрическим ме-
тодом. «Заводская лаборатория», 1950, № 12.
61. Под б ер е з и н С. Б. Приборы для контроля и
автоматического регулирования. «Заводская лаборато-
рия», 1949, № 7.
62. Физические основы электротехники. Под ред.
Поливанова К. М. Госэнергоиздат, 1950.
63. Попов С. Г. Измерение воздушных потоков.
Госэнергоиздат, 1947.
64. П р е обр а ж е и с к и й В. П. Теплотехиические-
измерения и приборы. Госэнергоиздат, 1946 и 1953-
(2-е изд.).
65. Пчел ив В. А. Измерение активности водород-
ных ионов стеклянным электродом. Гизлегпром, 1941.
66. Пфлиер П. М. Электрические измерения ме-
ханических величин. Машгиз, 1948.
67. Пятин Ю. Электрические дистанционные та-
хометры, основанные на импульсном методе. «Точная
индустрия». 1938, № 8—9. -
68. Раевский Н. П. Методы эксп'еримеитальио-
го исследования механических параметров машин. Изд.
АН СССР, 1952.
69. Раевский Н. П. Из опыта измерения дина-
мических нагрузок в деталях сельскохозяйственных ма-
шин. АН СССР. Иист. машиноведения, «Сборник до-
кладов по динамической прочности машин», 1946.
70. Рибо Г. Оптическая пирометрия. ГТТИ, 1934.
71. Р у д а ш е в с к и й Г. Е. Мостиковые и транс-
форматорные схемы в применении к измерению малых
деформаций. Труды Сейсмолопич. иист. АН СССР, 1938,,
№ 84.
72. Сотсков Б. С. Элементы автоматической и
телемеханической аппаратуры. Госэнергоиздат, 1950.
73. Смирнов А. А. Ремонт теплотехнических кон-
трольно-измерительных приборов. Гостоптехиздат, 1952.
74. Т е м н и к о в Ф. Е. Дистанционный контроль
в промышленности. Госэнергоиздат, 1940.
75. Т е м и и к о в Ф. Е. и Харченко Р. Р. Элек-
трические измерения неэлектрических величин. Госэиер-
гоиздат, 1'948.
76. Топерверх Н. И. и Шер май М. Я. Изме-
рительные и регулирующие цриборы иа металлургиче-
ских заводах. Металлургиздат, 1951.
77. Трапезников В. А., Городецкий И. Е.,
Петров Б. Н. и Фельдбаум А. А. Автоматиче-
ский контроль лилейных размеров изделий. Оборонгиз,
1947.
78. Технические применения электронно-ламповых
схем. Изд. иностр, лит., 1953.
79. Туричин А. М. Автоматическое измерение
концентрации водных растворов методом электропро-
водности. «Автоматика и телемеханика», 1939, № 1.
80. Туричин А. М. Электрические измерения не-
электрических величин. Госэнергоиздат, 1951.
81. Файнберг М. М. Современные методы авто-
матического анализа газов в промышленности. «Завод-
ская лаборатория», 1949, № 2.
82. Ф е л ь д б а у м А. А. Электрические методы
контроля размеров деталей. «Измерительная техника»,
1940, № 10, 11—12; 1941, № 2.
83. Фельдбаум А. А. Точный контроль разме-
ров электрическими методами. «Автоматика и телеме-
ханика», 1940, № 1
84. Феррони В. К. Магнитоэлектрический элек-
тронный вибратор. Сб. «Электросила», № 10, 1951.
85. Чистяков Н. И. Электрические авиацион-
ные приборы. Оборонгиз, 1950.
86. Ш и нт е л ь м е й с т е р И. Электронная лампа
как прибор для физических измерений. ГТТИ, 1949.
87. Ш н и р м а н Г. Л. Электрические методы иссле-
дования динамических процессов в деталях машин. АН
СССР. Инет, машиноведения, «Сборник докладов по
динамической прочности деталей машин», 1946.
88. Электрические и магнитные измерения. Под.
ред. Шрамкова Е. Г. ОНТИ, 1937.
89. Шляндив В. М. Элементы автоматики и те-
лемеханики. Оборонгиз, 1952.
90. Шубников А. В. Кварц ‘и его применение.
Изд. АН СССР, 1940.
91. Шубников А. В. Пьезоэлектрические тексту-
ры. Изд. АН СССР, 1946.
92. Щепкин С. И. Контрольно-измерительные и
регулирующие приборы в химических производствах.
Госхимиздат, 1945.
93. Эйкен А. Физико-химический анализ в произ-
водстве. ОНТИ, 1936.
94. Яккель Р. Получение и измерение вакуума.
Изд. иностр, лит., 1952.
95. С о h е n Т. A. Automatic Liquid Lavel Controls
Electronics, 1945, Apr.
96. Jano wsky W. Magnetoelastische Messung von
Druck, Zug-und Torsionskraftcn. ATM,, 1933, Apr.; ATM,
1935, Juli.
97. Lieneweg F. Temperaturmessung. Handbuch
der technischen Betriebskontrolle. III. Physikalische Mess-
methoden.
98. W a 11 e г С. H. Ueber eine neue Gleichrichter,
messanordnung. Z. techn. Physik, 1931, № 2.
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсолютно черное тело 232
Автоматическое введение поправки на температуру сво-
бодных концов термопары 222
Акселерометры 195
Акулова Н. С., теория ферромагнетизма 49
Анемометр с термосопротивлением 23
Буферный раствор 256
Вакуумметр ионизационный 190
— магнитоэлектроразрядный 189
— с термосопротивлением 188
Вибрографы индукционные 193
Влагомеры 281
Влажности газов измерение на принципе точки росы 286
Водородные ионы 98
Водородный показатель 99
— электрод 100
Выпрямительные цепи 130
— фазочувствительные цепи 131
Газоанализаторы магнитные на кислород 275
— на СО2 265
--- Н2 267
---малые концентрации СО 271
--- метан 270
---принципе измерения теплоты химических реак-
ций 269
— оптико-акустические 272
Динамический конденсатор 125
Динамометры емкостные 183
— индуктивные 184
— магнитоупругие 182
— пьезоэлектрические 181
Дистанционный индуктивный тахометр 206
Дифференциальный преобразователь индуктивный 57
---с угольными шайбами 19
Дифференцирующие цепи 138
Диффузионный потенциал 100
Дымномеры электрические 263
Емкостные динамометры и манометры 183
Емкостный уровнемер 171
Закон интегрального излучения 233
— монохроматического излучения 232
— поглощения 258
— смещения 233
— Столетова 71
Индуктивные динамометры и манометры 184
— тензометры 179
— торзиометры 197
Индукционные профилометры 174
— тахометры 201
Интегрального излучения закон 233
Интегрирующие усилители 140
— цепи 138
Ионизационные приборы для измерения разностенности
деталей 165
Ионизационный вакуумметр 194
— ток 80
Ионизация газа 79
Каломельный полуэлемент 101
Качество четырехполюсника 114
Колориметры, использующие тепловой эффект лучистой
энергии 263
— фотоэлектрические 263
Компенсаторы автоматические с ламповым следящим
устройством 160
-------механическим следящим устройством 157
— ламповые для измерения pH 124
Компенсация температурной погрешности электролити-
ческих преобразователей сопротивления 40
Комплексное магнитное сопротивление 51
Концентратометры 252
Коэффициент погашения 253
Критерий Нуссельта 24
— Ньютона 23
— Пекле 24
— Прандтля 25
— Рейнольдса 24
Лампы типа «жолудь» 123
— электрометрические 122
Магнитострикция 49
Магнитоупругий эффект 49
Манометры емкостные 183
— индуктивные 184
— пьезоэлектрические 181
Масс-спектрометр 277
Микрометр индуктивный 163
— фотоэлектрический 164
Монохроматического излучения закон 232
Мостовые цепи переменного тока 149
--- постоянного тока 140
---с логометром 146
Мосты автоматические 156
Неймана Л. Р. формула 52
Нефелометрические измерения 260
Никольского Б. П. теория 104
Обогревные термопары 226
Оптическая плотность 259
Оптические пирометры 234
Отсасывающие термопары 226
Пирометры оптические 234
— радиационные 238
— термоэлектрические 216
— фотоэлектрические цветовые 246
---яркостные 245
— цветовые 242
Поверхностная термопара 231
Поверхностный эффект 52
Поглощения закон 261
Погрешность, обусловленная неполнотой излучения 233,
237, 241, 243
Полярограмма 46
Полярографический •спектр 47
| Полярографы автоматические 258
— визуальные 257
' Постоянная электролитического преобразователя 39
Потенциал диффузионный 100
— пограничный 99
— стеклянного электрода 103
— электродный окислительно-восстановительной систе-
мы 101
Приборы ионизационные для измерения разностенности
деталей 165
— электрические для измерения толщин 165
---------- шероховатости поверхности 172
; Преобразователь вакуумметра на принципе теплопровод-
ности 32
— газоанализатора иа принципе теплопроводности 29,
266
— емкостный 64
— индуктивный 56
’ ----дифференциальный 57
------с разомкнутой магнитной цепью 56, 170
-трансформаторного типа 57
— • индукционный 84
— ионизационный 78
— контактный 15
— магнитоупругий 48
— полярографический 44, 257
— проволочный 20
— пьезоэлектрический 93
• — реостатный 13
— с угольными шайбами 18
----------дифференциальный 19
— сопротивления электролитический 38
— тензолнтовый 10
— термоанемометра 23
-с термопарой 28
' — термометра сопротивления 34
— термоэлектрический 205
— фотоэлектрический 71
— — дифференциальный 77
— электрических потенциалов 97
Проволочные тензометры 177
Прозрачность (пропускание) вещества 259
Профилометр индукционный 174
— пьезоэлектрический 172
Психрометрический эффект 283
Психрометры электрические 284
Пьезоэлектрический модуль 94
— эффект 93
Радиационные пирометры 238
Радиоактивные лучи 79
Резонансные схемы емкостных приборов 69
s Рентгеновские лучи 79
! Реостатный уровнемер 167
; Смещения закон 233
Согласование параметров цепи и преобразователей 108
; Соленомеры 247
Стеклянный электрод 103, 255
; Степень согласования ПО
Столетова закон 71
; Стробоскопические тахометры 208
; Струнные тензометры 180
• Сурьмяный электрод 253
Тахометры индукционные 201
—, — с вращающимся полем 204
Тахометры стробоскопические 208
— электроимпульсиые 206
Температурная компенсация электропроводности элек-
тролитов 40
— погрешность приборов с индукционным преобразова-
телем 86
— погрешность термоэлектрических пирометров 92
— шкала 209
Температуры свободных концов термопары влияние 90
Тензометры индуктивные 179
— проволочные 177
— струнные 180
Теорема подобия 27
Теория подобия 26
Тепловая инерция проволоки, нагреваемой током 36
---термопар н преобразователей термометров сопро-
тивления 512
Тепловое подобие 24
— равновесие между преобразователем и средой, темпе-
ратура которой измеряется 224
Термоанемометр 23
Термомагнитная конвекция 275
Термомагнитный шунт 87
Термометры сопротивления герметизированные 214
---медные 214
---спресованные 214
--- платиновые 212
Термосопротнвление 23
Термоэлектрические пирометры 216
Термоэлектроды удлинительные 91
Торзиометр индуктивный 197
— индукционный 198
Точка росы 286
Удельная электропроводность раствора электролита 38
Удлинительные термоэлектроды 91
Уровнемер емкостный 171
— индуктивный 168
— индукционный 171
— реостатный 167
Флуктуация ионизационного тока 80
Фотосопротивление 73
Фотоэлектрические колориметры 263
— пирометры 245
Фотоэлементы (характеристики) 71
Фотоэффект вентильный 74
— внешний 71
— внутренний 72
Хингидронный электрод 102
Цветовые пирометры 242
Цепные схемы ПО
Черная температура 234
Четырехполюсники 108
Чувствительность компенсационных цепей 153
— магнитоупругих преобразователей 54
— у нулевой точки (моста) 149
Электрод стеклянный 103, 255
— сурьмяный 253
— хингидронный 102
Электродный потенциал 99
Электроимпульсиые цепи 68
Электромагнитный преобразователь 129
Электрометрическая лампа 122
Эффект рассеяния света в мутной среде 259
Эффективность преобразования четырехполюсника 114