Реферат: Вимірювання неелектричних величин 19 Вимірювання механічних величин

Розділ 19

ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

19.1. Вимірювання механічних величин

Вимірювання геометричних розмірів. Діапазон лінійних, розмірів надзвичайно широкий: від часток мікрометра (при визначенні товщини тонких плівок або шорсткості поверхні) до сотень і тисяч кілометрів (при вимірюванні відстаней у геодезії, навігації чи астрономії). Діапазон вимірювання кутових розмірів лежить у межах від мінут до 360°.

Для вимірювань і контролю геометричних розмірів у ма­шинобудуванні переважно застосовують індуктивні, кон­тактні та ємнісні перетворювачі. Особливість таких вимірю­вань полягає в тому, що вимірюють не сам розмір, а лише його відхилення від певного значення, які не перевищують часток міліметра.

На рис. 196 зображено схему пристрою для контролю-лінійних розмірів деталей з допомогою диференційного ін­дуктивного перетворювача малих переміщень. Розміром деталі 1 визначається положення якоря 2, а отже, і відно­шення опорів Z1 і Z2 котушок 3 та 4, які разом з резисто­рами R3 і R4 утворюють вимірювальне коло. Індикатором, переміщення є чутливий магнітоелектричний прилад, підімкнений до виходу фазочутливої кільцевої схеми випрям­лення. Реостат ^р призначений для встановлення нуля при­ладу. Залежність струму в індикаторі від значень опорів перетворювача при переміщенні якоря (прямими і зворот­ними опорами випрямлячів, індуктивним індикатора та активними індуктивних перетворювачів нехтують) визна­чають як



де &ф=1,11 — коефіцієнт форми синусоїдної напруги; СІ — стала індикатора за струмом; а—відхилення покаж­чика індикатора; Rr — опір індикатора; Re. м і Х&. „ — від­повідно активний та індуктивний вихідні опори моста, визначені як



(Хп — індуктивний опір перетворювача; R3 = R4 = R)



де ΔХП—зміна індуктивного опору, спричинена відхилен­ням досліджуваного розміру від його середнього значення.

Промислові зразки таких приладів мають межі вимірю­вань ±(0,02 -f- 0,5) мм і поріг чутливості, не більший за ±(0,001 ÷ 0,01) мм.

Іншим прикладом застосування індуктивного перетво­рювача є прилад ТМП-48, призначений для вимірювань товщини гальванічного покриття феромагнітних деталей від

2 до 60 мкм (рис. 197). В ньому застосовується трансформа­торний вимірювальний перетворювач ^ Тр з розімкненим маг­нітним колом, магнітний потік якого замикається через досліджувану деталь 1. Робочий зазор дорівнює вимірю­ваній товщині неферомагнітного покриття 2. При живленні схеми від стабілізованого джерела або застосуванні лого­метричного покажчика усувається вплив коливань напруги мережі на результат вимірювання.

Методи вимірювання рівня рідин в межах від сантимет­рів до кількох метрів найчастіше грунтуються на застосу­ванні поплавків і масштабних перетворювачів їх перемі­щень у вигляді важільних або ремінних передач. Порів­няно невеликі вихідні переміщення вимірюють з допо­могою реостатних індуктивних перетворювачів.

Найпростішими і найпоширенішими є реостатні рівне­міри (рис. 198), які використовують в автомобілях, літаках тощо. Поплавок / міститься в баку з рідиною і механічно зв'язаний з повзунком реохорда Rp. При зміні положення повзунка змінюється відношення струмів /!//2 у рамках логометра, що зумовлює відхилення його покажчика. Ре­зистори R1 і R2 установлюють певний діапазон вимірювань.

Знаючи межі діапазону відношень струмів логометра (І1/І2)Макс (І1/І2)мін опори рамок r1 i r2 , а ткож І1мін та І2min — мінімальні струми рамок, потрібні для стійкої роботи логометра, можна знайти значення опорів R1 і R2

3 рівнянь:



де Rр — опір реохорда, ΔR1 і ΔRp2—частини опору реохорда, що визначаються межами переміщення повзунка реохорда, Rл опір лінії; U — напруга живлення схеми, значення якої має задовольняти умови



Аналогічну вимірювальну схему можна використати для вимірювань кутових переміщень з допомогою реостатного перетворювача.

Поріг чутливості реостатних перетворювачів дорівнює 10—20 мінут.

Вимірювання відстаней, які проходять наземні рухомі об'єкти, найчастіше здійснюється перетворенням числа обертів колеса, що котиться по шляху, на кількість елек­тричних імпульсів. При цьому використовують електронні лічильники кількості імпульсів.

Великі відстані (у авіації і ракетній техніці) вимірюють радіолокаційним методом, який полягає у вимірюванні часу проходження радіоімпульсу від передавача до об'єк­та і назад до приймача. Для вимірювання відстаней у кілька сотень метрів застосовують акустичну локацію.

Вимірювання механічних сил, на­пружень і деформацій. Вимірювання віднос­ної деформації Δl/l і механічного напруження а в межах сталого значення модуля пружності Е є одним і тим самим завданням, оскільки для кожного матеріалу



Для вимірювань механічних напружень і деформацій найчастіше застосовують тензорезистори, які наклеюють на об'єкт. Металевими тензорезисторами вимірюють відносні деформації від 0,002 до 2%, а напівпровідниковими —до 0,1%. Дротяними тензорезисторами, закріпленими на кін­цях бази, вимірюють деформації до 6—10%. Через малу інерційність тензорезистори використовують для вимірю­вань змінних деформацій у діапазоні частот від О до ЮОкГц.

Оскільки механічне напруження і деформація є вектор­ними величинами, тензорезистор має бути наклеєний на по­верхню досліджуваної деталі вздовж напрямку їх дії. При цьому



де k —відносна чутливість перетворювача; єк—відносна зміна опору.

Для вимірювань механічних сил і тисків використовують методи з безпосереднім перетворенням вимірюваної вели­чини на електричний сигнал або з проміжним перетворенням вимірюваної величини на механічне напруження. В при­ладах, які базуються на першому методі, використовують магнітопружні та п'єзоелектричні .перетворювачі. Останні застосовують лише для вимірювання змінних сил і тисків,



що змінюються з частотою, не меншою ніж 5 Гц. У прила­дах другої групи проміжне перетворення вимірюваної ве­личини на механічне напруження може здійснюватись тен­зорезисторами, закріпленими безпосередньо на деталі, що досліджується, або на спеціальних пружних елементах (пружинах, мембранах і т. п.). Для вимірювань зміни опору тензорезистор найчастіше вмикається в мостову схему. Щоб зменшити температурну похибку, в сусіднє плече моста вмикається аналогічний компенсаційний тензорезистор, який має бути наклеєний на той самий матеріал і перебу­вати в ідентичних температурних умовах, але не деформу­ватися під дією вимірюваної величини (рис. 199,а). Із змі­ною температури опори робочого і компенсаційного перетво­рювачів зміняться на однакову величину і рівновага моста не порушиться. В окремих випадках вдається розмістити на об'єкті два тензорезистори, які мають однакові деформації протилежних знаків (рис. 199,6). При цьому не тільки дося­гається температурна компенсація, а й удвоє підвищується чутливість.

Живлення вимірювальних схем з тензорезисторами може здійснюватись постійним або змінним струмами. Для вимі­рювання незмінних в часі величин (а також змінних з час­тотою, не більше за 1 Гц) широко використовують мости і компенсатори з автоматичним зрівноважуванням, а для змінних —незрівноважені мости з виходом на електроме­ханічні або електронні осцилографи.

Вимірювання моментів обертання. Прилади для вимірювання моментів обертання називаються торсіометрами. Принцип їх роботи грунтується на вимі­рюванні дотичних напружень т, що виникають у валах і пов'язані з моментом обертання співвідношенням



де Wp= лг3/2— полярний момент опору суцільного кругло­го вала з радіусом г. Для вимірювань дотичних напружень можна використовувати тензорезистори, які наклеюють безпосередньо на вали досліджуваних механізмів, а у ви­падках, коли це неможливо,— на пружні елементи, які з'єднують з робочим валом. Тензорезистори наклеюють вздовж напрямків найбільших дотичних напружень, тобто під кутом 45° до осі вала (рис. 200,а). Вмиканням тензорезисторів у два сусідні плеча моста забезпечується не тільки температурна компенсація, а й усунення впливу деформа­цій згину на результат вимірювання, оскільки знаки і зна­чення деформацій обох перетворювачів однакові.

Найважливішою частиною таких торсіометрів є струмознімач, що з'єднує тензорезистори з електричним колом. Його виготовляють у вигляді контактного кільця, насадже­ного на вал, і контактної щітки. Значний вплив на резуль­тат вимірювань можуть мати варіації перехідних опорів контактів і контактні термо-е. р. с., які виникають під дією нагрівання рухомих контактів від тертя. Щоб змен­шити цей вплив, щітки і кільця виготовляють з матеріалів, що мають у парі малі перехідний опір і термо-е. р. с., а та­кож застосовують відповідні вимірювальні схеми. Напри­клад, значного зменшення впливу варіації опорів контактів можна добитись, якщо розмістити на валу чотири тензо­резистори Rn1…., R4 і з'єднати їх так, щоб опори контак­тів К.1...К.4 додавались лише до опорів джерела живлення та індикатора моста, не впливаючи на значення опорів його плечей (рис. 200,6). Щоб усунути дію паразитних термо-е. р. с., вимірювальні схеми треба живити змінним струмом. У схемі автоматичного компенсатора змінного струму



(рис. 200,в) вплив варіацій перехідних опорів і контактних е. р. с. на результат вимірювань незначний. Зміни опорів контактів Kl, К2, К.З у вторинному колі трансформаторів струму TCI, TC2 спричинюють зміни як вторинного, так і первинного струму. Оскільки коефіцієнт трансформації при цьому не змінюється, то ці зміни не впливають на по­кази приладу.

Похибка вимірювання моментів обертання з допомогою наклеєних тензорезисторів може не перевищувати ±(14-2)% при попередньому градуюванні вала з наклеєними тензорезипорів Без такого градуювання похибка перевищує ±(5÷10)%

Широко застосовуються для вимірювання моментів обертання методи, що грунтуються на вимірюванні кута скручування пружних елементів (спеціальної пружної муфти, вала) з допомогою індуктивних, індукційних та інших перетворювачів.

Обертаючий момент визначають, вимірюючи різницю напруг двох тахогенераторів змінного струму, насаджених на два кінці вала, що скручується (рис. 201,а). При відсут­ності моменту обертання напруги тахогенераторів є однакові за модулем і показ вольтметра дорівнює нулю. Під дією моменту обертання вал скручується на кут



де /, d — довжина активної частини і діаметр вала; а — модуль зсуву матеріалу вала.

Скручування вала спричинює зсув фаз між напругами тахогенераторів на кут ¥ = рγ, де р —число пар полюсів тахогенератора.



Отже, показ вольтметра залежить від моменту обертання при незмінному значенні U, тобто при незмінній швидкості обертання вала. Щоб усунути залежність показів приладу від швидкості обертання вала, доцільно застосувати магніто­електричний логометр, увімкнений за схемою на рис. 201,в. Показ логометра визначається відношенням UJU і не зале­жить від швидкості обертання вала. Слід відзначити, що, вмикаючи послідовно з обмотками логометра додаткові вольтметри VI і V2, ми можемо за їх показами визначити швидкість обертання п і потужність Р, яка передається валом. Показ VI, пропорційний модулю напруги U І, отже, і швидкості, а показ V2 залежить від напруги U2, яка пропорційна потужності. Враховуючи, що Р — Мп;



Для вимірювання великих моментів обертання (напри­клад, на валах бурових інструментів) застосовують магніто-пружні трансформаторні перетворювачі, у яких як магніто-пружний елемент, магнітна проникність якого змінюється під дією моменту обертання, використовують сам сталевий вал. Перевага такого методу полягає в тому, що як намаг­нічуюча, так і вторинна обмотки перетворювача розміщені на нерухомому статорі, чим забезпечується висока надій­ність. Похибка вимірювання моментів з допомогою серій­них пристроїв такого типу не перевищує ±1,5%.

Вимірювання параметрів руху. Основ­ні параметри механічного руху — переміщення, швидкість і прискорення —пов'язані між собою простими диферен­ціальними залежностями, які часто використовують при будові приладів, оскільки вимірювання одного з параметрів

дозволяє знайти інший, використовуючи диференціювання

або інтегрування.

Діапазон швидкостей, який вимірюють електричними за­собами, лежить в межах від 10-7 до 1,2 • 104 м/с, приско­рень — від 10-6 до

6 • 105 м/с2.

При малих переміщеннях об'єктів відносно опорної точки параметри їх руху вимірюють такими самими методами, як і геометричні розміри. При великих переміщеннях ре­зультат вимірювання дістають додаванням дискретних пе­реміщень від однієї мітки до іншої. Наприклад, шлях, пройдений автомобілем, вимірюють числом обертів колеса з допомогою електроконтактних, індукційних або інших

лічильників.

Число обертів за одиницю часу визначається тахомет­ром, який звичайно являє собою генератор постійного або змінного струму. Недоліком тахогенераторів постійного струму є колектор, який може забруднитись і вийти з ладу. Надійнішими є безколекторні тахогенератори змінного струму, у яких е. р. с. знімають з обмоток статора, а ротор виконують з постійних магнітів. Вихідний сигнал таких тахогенераторів вимірюють магнітоелектричним приладом, увімкненим через напівпровідниковий випрямляч.

Вимірювання параметрів вібрацій найчастіше здійснює­ться з допомогою механічної коливальної системи й пере­творювача (індуктивного або ємнісного), що сприймає ці коливання і перетворює їх на електричний сигнал.

Основним параметром руху рідин і газів є витрата кіль­кості речовини, що протікає через повний переріз за одини­цю часу. Як малі, так і дуже великі витрати (до кількох тисяч кубометрів за годину) можна вимірювати тепловими витратомірами. Обов'язковим елементом теплових витрато­мірів є нагрівник, що нагріває ділянку труби (в калори­метричних витратомірах) або чутливий елемент термоане­мометра. Вихідний сигнал у першому випадку є функцією різниці температур, що вимірюється двома термометрами, розміщеними вздовж труби, у другому випадку — функцією температури термоанемометра. В обох випадках потужність нагрівника треба підтримувати постійною або живити на­грівник і вимірювальну схему від одного джерела.

Оскільки потужність нагрівника при вимірюванні ви­трат рідин має бути значною через велику теплоємність і теп­лопровідність рідин, теплові витратоміри використовують в основному для вимірювання витрат газів.

^ 19.2. Вимірювання температури

Методи вимірювання температури можна поділити на контактні, при яких чутливий елемент термометра має без­посередній тепловий контакт з досліджуваним середовищем, і безконтактні, принцип дії яких грунтується на тепловому вимірюванні нагрітих тіл.

При контактних методах вимірювання температури за­стосовують термометри опору і термоелектричні. Термо­метрами опору вимірюють температури від —260 до 1300° С (табл. 16). Платинові термометри опору забезпечують най­вищу точність вимірювання, завдяки цьому їх використо­вують для відтворення міжнародної температурної шкали в діапазоні від —183 до 630° С і як зразкові (для перевірки інших засобів вимірювань температури).

Для вимірювань температури термометрами опору най­частіше застосовують магнітоелектричні логометри, а також кезрівноважені і автоматичні мости й потенціометри.

Найпростішу схему вимірювання температури з допо­могою термометра і магнітоелектричного логометра наве­дено на рис. 202, а. Для зменшення впливу опорів з'єднувальних ліній на результати вимірювання застосо­вують трипровідне під'єднання термометра до логометра. Опір лінії глз, який вмикають у коло живлення лого­метра, не впливає на його покази, а опори ліній гл\ і Лп2 додаються до опорів у паралельних колах рамок, внаслідок чого значно зменшується вплив опорів цих ліній на покази логометра. У приладах серійного вироб­ництва використовується схема (рис. 202, б), де опори ліній rлі і rл2 додаються до опорів двох сусідніх плечей моста і при rп1 = rл2; R± = R2 та Rt = R3 вплив темпера­турних змін опорів цих ліній взаємно компенсується. Із зміною опору термометра рівність Rt = /?3 порушується, але вплив опорів ліній залишається досить малим, тому що їх значення е значно меншими від значень опорів плечей моста. Крім цього, опори ліній rл1 і rЛ2 підга­няють до певного значення (2,5 або 7,5 Ом), яке врахо­вують при градуюванні приладу і вказують на його шкалі. Значення опорів R1 — R4 залежать від меж вимірювання температури і параметрів термометра й логометра. Для комленсації температурної похибки логометра опір Rt виконують частково з міді.

Вимірювання температури з допомогою незрівноважених потенціометрів і мостів здійснюють за схемами, пода-



ними на рис. 203, де Ех, Eк, Е, Rwx, RWK і Rw — е. p. c. та внутрішні опори стабілізованих джерел напруги. Для компенсаційної (рис. 203, а) та мостової (рис. 203,6) схем відповідно маємо



де Rt0 — початкове значення опору термометра, при якому Ur. к = ur.m= 0; ΔRt — приріст опору термометра від зміни вимірюваної температури.

Для обмеження струмів у термометрах та компенса­ційному опорі RK введено опори Rдх , Rдк та Яд.м - Для зменшення впливу з'єднувальних ліній на результат вимі­рювання в компенсаційній схемі застосовують чотирипровідне під'єднання термометрів, а в мостовій — три- або чотирипровідне. При трипровідному під'єднанні як і в схемі на рис. 202, б, опори R2 і R3 вибирають однаковими, а при чотирипровідному краще брати R2= R4 = R.

Як покажчики температури у незрівноважених мостах і потенціометрах доцільно застосовувати вузькопрофільні магнітоелектричні мілівольтметри.

Спрощену схему автоматичного моста для вимірювань температури термометром опору наведено на рис. 204, де Rt — термометр опору; Rp — реохорд; Rш — шунт реохорда; ЕП — електронний підсилювач; РД — реверсивний дви­гун. Для зменшення впливу опорів з'єднувальних ліній на результат вимірювання також застосовують трипровідну схему під'єднання термометра та обмежують опори ліній rл\ і rЛ2 до певного значення. Найчастіше роблять R2= R3, тоді повна компенсація опорів ліній є в початко­вій точці шкали приладу (tmin) при мінімальному значенні опору Rt— Rmin. Отже, рівняння рівноваги моста матиме вигляд (враховуючи, що RK = RpRm/(RP + Rui))



Звідси видно, що зміна опорів ліній на однакову вели­чину не порушить рівноваги моста. В інших точках шкали зміна опорів ліній викликає незначну похибку. Умову рівноваги моста для точки /тах можна подати як



Максимальне значення струму термометра визначається за формулою



Ці три рівняння і умова R2 = R3 дають змогу при пев­них значеннях Rtmin, Rtmax, rл1= rn2= гл, Rp, U та Ітmin знайти значення опорів Re, RltR2, Rm і R3, які потрібні для забезпечення певного діапазону вимірювань темпе­ратури. Зауважимо, що коли в результаті розрахунку дістають Re > Rp, то в схему треба ввести додатковий опір R6, прийняти його рівним, наприклад, 200 Ом і пов­торювати розрахунок доти, поки Re^ Rp.

У мостових схемах можна достатньо зменшити вплив з'єднувальних ліній лише при Rt ≥ 10 Ом.

Для вимірювання менших опорів термометрів (напри­клад, при вимірюванні температур до — 260° С або при застосуванні термометрів з опором чутливого елемента 0,1 — 1 Ом для вимірювань високих температур) можна





Опори ліній не впливають на показ приладу, тому що лінії гл2 і гл3 включено у вхідне коло підсилювала, де в момент компенсації струм дорівнює нулю, а опори rл1 і rл4 можуть впливати лише на значення струмів І1 і І2 а не на коефіцієнт трансформації Rп.

При певних значеннях І1, І2, Rtmini Rtmaxз приведених вище рівнянь можна знайти значення опорів Rn, Re, а також і Rm. Значення опору R6, який обмежує струм у термометрі, визначають з формули



де Rtcp = (Rтmах + Rtmin)/2; Rтр— еквівалентний вхідний опір трансформатора струму з урахуванням вторинного навантаження Rn+ Re.

Логометричні вимірювачі температури випускають кла­сів точності від 0,2 до 2,5; автоматичні мости і компенсато­ри — від 0,25 до 1,5. Для точніших вимірювань темпера­тури застосовують прецизійні мости і компенсатори постій­ного струму.

Термоелектричні термометри застосовують для вимірю­вань температури в межах від —200 до 2500° С.

Найвищу точність вимірювань забезпечують термоелек­тричні термометри типу ТПП, які використовують для від­творення міжнародної температурної шкали в межах від 630,74 до 1064,46° С і як зразкові.

Для вимірювання температури спільно з термоелектрич­ними термометрами застосовують мілівольтметри або авто­матичні компенсатори постійного струму. Особливістю таких мілівольтметрів є відносно великий внутрішній опір (понад 100—500 Ом), що потрібно для зменшення впливу опорів термопари і з'єднуючих ліній на результат вимірювання.

Напруга мілівольтметра Umv з урахуванням опору термопари rt і сумарного опору ліній гл зв'язана з елек­трорушійною силою термопари E^ залежністю



Звідси видно, що напруга за показом мілівольтметра дорівнює е. р. с. термопари незалежно від опорів її ліній при умові Rmv »(rt+rл). Практично досить, щоб Rmv»500 (rt+ гл)/К, Де К — клас точності мілівольтметра. Якщо ця умова не виконується, то сумарний опір термо­пари і ліній з допомогою додаткового резистора підга­няють до певного значення зовнішнього опору (0,6; 1,6; 5 або 15 Ом), який враховують при градуюванні мілівольт­метра в °С і вказують на його шкалі.

Повністю усувають вплив опорів ліній, вимірюючи е. р. с. термопар компенсаційним методом, що зумовлюється відсутністю струму в лініях у момент рівноваги компенса­тора.

Коливання температури вільних кінців термопар значно впливають на результат вимірювання температури з допомогою термоелектричних термометрів. Практично вільними від цього впливу є лише термоелектричні тер­мометри типу ТВР і ТПР, е. р. с. яких майже не зале­жить від зміни температури вільних кінців у межах від О до 300° С. Усувають цей вплив термостатуванням віль-



них кінців термопар і введенням відповідних поправок, що може виконуватись автоматично з допомогою схем з термозалежними елементами. Зокрема, вимірявши е. р. с. термопари E'-s при температурах робочого /р і вільних U кінців, для знаходження вимірюваної температури за градуювальними таблицями (складеними для tB== 0° С) до виміряного значення е. р. с. треба додати поправку Д.£т, що дорівнює е. р. с. термопари при температурі робочого кінця tp = tB і вільних кінців — 0° С:



Один із способів автоматичного внесення поправок за­лежно від температури вільних кінців термопар ілюструє­ться з допомогою схеми на рис. 206. В цій схемі між термо­парою і вторинним приладом вмикають незрівноважений міст, що складається з манганінових резисторів R2, R3 і R4 та резистора з міді R1, який знаходиться в однаковим температурних умовах з вільними кінцями термопари. Параметри моста підбирають так, щоб при певному значенні температури вільних кінців (наприклад, 0° С) він знаходив­ся в рівновазі, а при відхиленні температури вільних кінців від цього значення в діагоналі А —В виникала напруга що дорівнює поправці Л.ЕТ до значення е. р. с. термопари Для схеми на рис. 206 напругу uab визначають за формулою



де ^ Е і £?„„ — значення е. р. с. і внутрішнього опору джерела живлення моста; R^ і а—значення опору при 0°С і температурного коефіцієнта мідного резистора R1, Rд — опір підгоночного резистора.

Автоматичні компенсатори постійного струму для вимірювання температури в комплекті з термоелектрич­ними термометрами будують за схемою, зображеною на рис. 207, де Rp — опір реохорда; Rn і Rm — опори для підгонки відповідно початку й кінця шкали при градую­ванні приладу; Re і rk — опори для встановлення робо­чого струму компенсатора; RM — мідна або нікелева котушка опору, яка призначена для автоматичної компен­сації зміни термо- е. р. с. термоелектричного термометра, що спричинюється коливанням температури tB його віль­них кінців. Щоб температура котушки завжди дорівню­вала tB, її розміщують усередині приладу в місці під'єднання вільних кінців.

Значно впливають на точність вимірювань температури контактним методом умови теплообміну між перетворюва­чем і досліджуваним середовищем, тому що вихідна вели­чина перетворювача визначається температурою його чут­ливого елемента, яка може відрізнятись від температури досліджуваного середовища залежно від умов теплообміну. Для зменшення впливу на цю різницю відводу тепла за ра­хунок теплопровідності арматури термометра при вимірю­ванні температури газів і рідин у трубопроводах термометри слід розташовувати вздовж осі трубопроводу робочим кін­цем назустріч потоку. Це забезпечує мінімальний градієнт температури по довжині термометра в зоні чутливого еле­мента. Для зменшення втрат тепла чутливим елементом через наявність випромінювання треба зменшувати різницю між температурами чутливого елемента і стінками трубопроводу (застосовують теплоізоляцію трубопроводу).

Вимірювання температури безкон­тактним методом. Прилади для вимірювання температури, принцип дії яких грунтується на використанні енергії випромінювання нагрітих тіл, називаються піромет­рами. Важлива позитивна властивість цих приладів полягає в тому, що вони не спотворюють температурного поля дослі­джуваного об'єкта і не мають принципових обмежень для розширення меж вимірювань високих температур. Піромет­ри можна поділити на яскравісні, радіаційні, колірні.

Яскравісні пірометри — це прилади, у яких на вузькій ділянці спектра порівнюються яскравості досліджуваного



об'єкта і зразкового випромінювача. Зразковим джерелом яскравості найчастіше є лампа розжарювання / з плоскою (не скрученою в спіраль) вольфрамовою ниткою, що проек­тується на фоні досліджуваного об'єкта (рис. 208). Якщо яскравість нитки є менша від яскравості досліджуваного об'єкта, то вона виглядає темною на світлому фоні, а коли більша, то світлішою. Якщо яскравості будуть однакові, то нитки не буде видно на фоні розжареного тіла. Для ви­рівнювання яскравостей змінюють значення струму лампи з допомогою реостата. При цьому шкала амперметра гра­дуюється в ° С (для точніших вимірювань струму користу­ються компенсаційним методом). Оскільки нитку лампи можна нагрівати лише до температури 1400° С, то для вимі­рювань більш високих температур застосовують світло­фільтр 2, який послаблює інтенсивність випромінювання об'єкта. В деяких конструкціях для вирівнювання яскра­востей при постійному значенні струму лампи користуються пересувним світлофільтром із змінною густиною, так званим оптичним клином. Тоді температурну шкалу наносять на пристрій для зміни положення оптичного клина. В прила­дах з ручним зрівноважуванням момент співпадання яскра­востей визначається експериментатором візуально, а в при­ладах з автоматичним зрівноважуванням—з допомогою фотоелемента. Щоб порівнювати інтенсивності випроміню­вання в спектрі монохроматичних променів, у пірометрі застосовують червоний світлофільтр 3, який пропускає промені з довжиною хвилі 0,62 мкм і більше. Око людини чутливе до променів з довжиною хвилі до 0,73 мкм, тому порівнюють інтенсивності випромінювання у вузькому спектрі —0,62÷О,73 мкм.

Серійні яскравісні пірометри призначені для вимірю­вань температур від 700 до 6000° С. Похибка вимірювання може не перевищувати ±(0,6-г-2)%.

^ Колірні пірометри вимірюють відношення інтенсивно­стей випромінювання при двох довжинах хвиль, які виби­рають у червоній та синій ділянках спектра. Інтенсивність випромінювання кожної з хвиль можна вимірювати певним, фотоелементом, вимірювану температуру визначають від­ношенням фотострумів. Оскільки з часом характеристики фотоелементів змінюються неоднаково, то слід використо­вувати один фотоелемент, на який почергово попадають хвилі двох довжин. Спрощену схему такого пірометра зобра­жено на рис. 209. Випромінювання досліджуваного об'єкта 1 фокусується об'єктивом 2 і попадає на фотоелемент 4 через отвори в диску 3 з світлофільтрами, які виділяють дві (або чотири) ділянки спектра. Диск обертається з допомогою двигуна 5.

Таким чином, випромінювання всіх ділянок спектра сприймається і підсилюється одним і тим самим фотоеле­ментом 4 та підсилювачем 6, завдяки чому нестабільність їх параметрів не впливає на результат вимірювання відно­шення інтенсивності випромінювання.

Сигнали з підсилювача попадають почергово на вхід дічильно-розв'язувального пристрою (ЛРП), який видає результат на вихідний покажчик (ВП).

Перевагами колірних пірометрів є незалежність показів від відстані до досліджуваного об'єкта, а також від погли­нання радіації в середовищі між пірометром і досліджува­ним об'єктом, якщо коефіцієнт поглинання є однаковим для обох довжин хвиль, їх недоліком є відносна складність.

Прикладом колірного пірометра може бути прилад типу ЦЗП-3, який дає змогу вимірювати температуру в межах 1400—2800° С з похибкою до ±=1 %.

^ У радіаційних пірометрах вимірюють інтегральне (повне) теплове випромінювання. Приймач інтегрального випро­мінювання має бути чутливим практично до всіх довжин хвиль, і його виконують у вигляді тонкої металевої плас­тинки, покритої сажею. Приймач, оптична система (призна­чена для концентрації потоку енергії на приймач) та інші додаткові пристрої утворюють телескоп радіаційного піро­метра, який розміщують у металевому корпусі.

Звичайно температура приймача перетворюється в елек­тричний сигнал з допомогою батареї термопар. Холодні кінці 19.3. Вимірювання хімічного складу і концентрації речовин

Часто аналіз хімічного складу речовин треба проводити в складних температурних умовах, при різних тисках і швидкості рідин або газів. Діапазон вимірювання кон­центрації дуже широкий. Наприклад, для усунення шкід­ливої дії деяких газів на здоров'я людей треба контролю­вати їх наявність приладами з межею вимірювання порядку 10-4% об'ємної концентрації, а при виробництві хімічно чистих металів та напівпровідників треба вимірювати до­мішки, концентрація яких не перевищує 10~6—10~8%. Останнім часом особливого поширення набули прилади для контролю чистоти біологічного середовища землі, по­вітря і води.

Електрохімічні методи. Електрохімічні методи залежно від типу перетворювачів поділяють на кондуктометричні, потенціометричні, кулонометричні та поля­рографічні.

Кондукпгометричний метод грунтується на використанні резистивних електролітичних перетворювачів (п. 18.6). На рис. 210 зображено схему кондуктометричного концентратоміра для вимірювання концентрації проточної рідини.



Залежно від концентрації рідини змінюється опір резистивного перетворювача, а тим самим і показ автоматичного моста. Для зменшення температурної похибки паралельно плечу R2 вмикають терморезистор, який вміщують у сере­довище, концентрацію якого вимірюють.

Для аналізу агресивних розчинів використовують без­контактні концентратоміри (рис. 211). Виток труби В, по

якому протікає рідина, зв'язує осердя трансформаторів Трі і Тр2. При сталій напрузі живлення значення струму витка залежить від концентрації розчину. Оскільки виток є первинною обмоткою трансформатора Тр2, то струм у його вторинній обмотці, а значить, і показ міліамперметра зале­жать від концентрації розчину.

Потенціометричний метод грунтується на використанні гальванічних перетворювачів. Цей метод широко викорис­товують в рН-метрах і газоаналізаторах. На рис. 212 наве­дено схему газоаналізатора для вимірювання концентрації кисню від 0,001 до 0,1% об'єму. Анод 1 виготовляють із свинцевої стрічки, а катод 2 — із срібної сітки з фільтрую­чим папером і занурюють частково в електроліт.

При проходженні газу через перетворювач кисень ди­фундує по поверхні катода в електроліт. Починається елек­трохімічна реакція, що супроводжується появою е. р. с., значення якої пропорційне концентрації кисню. Початкова е. р. с. компенсується напругою мостової схеми. При зміні концентрації кисню змінюється різниця напруг, що подає­ться через підсилювач на реєструючий прилад.

Кулонометричний метод грунтується на однойменних перетворювачах і застосовується для вимірювання кон­центрації розчинів.

Полярографічний метод є одним з найчутливіших елек­трохімічних методів. Він дає змогу аналізувати багатоком­понентні суміші без їх попереднього розподілу. Аналіз здійснюється на основі полярограми —вольт-амперної ха­рактеристики електролізу розчину в спеціальному перетво­рювачі. Полярограма має вигляд ступінчастої кривої, кожний ступінь якої характеризує наявність іонів пев­ного виду.

Вимірювання концентрації з викорис­танням електронних та іонних пе­ретворювачі в. Вимірювання концентрації прила­дами з іонними та електронними перетворювачами зво­диться до вимірювання струмів іонізації молекул газу або пари.

Для аналізу багатокомпонентних сумішей застосовують мас-спектроскопи, які також грунтуються на іонізаційному методі досліджування (рис. 213). Досліджуваний газ про­ходить джерело іонів 1, закріплене на кінці вакуумної ка­мери 3. Під дією електронів, які випускаються катодом 2, молекули досліджуваного газу іонізуються і з допомогою фокусуючої системи 6, до якої прикладено прискорюючи

напругу ^ U, скеровуються в однорідне магнітне поле електро­магніту 4, вектор індукції В якого напрямлений перпенди­кулярно до площини рисунка.

Під дією магнітного поля іони різних компонентів, що мають однакові додатні заряди е, але різну масу mlt розді­ляються на окремі пучки залежно від мас і описують тра­єкторії з різними радіусами.

Зміною магнітної індукції В або напруги U окремі пучки іонів можна скерувати на колектор 5. Іонний струм, поси­лений підсилювачем 7, вимірюється реєструючим приладом 8. За значенням індукції або напруги можна знайти масу т{, а кількість електрики, що відповідає певному пучку (площа піка на діаграмі), визначає відносну кількість даної речовини.

При аналізі твердих тіл їх випаровують у спеціальних тиглях.

Спектрометричні методи аналізу ре­човин. Спектрометричні методи аналізу речовин грунту­ються на вибірних здатностях речовин поглинати, випромі­нювати, відбивати, розпорошувати та заломлювати різного роду випромінювання. Залежно від довжини хвилі ці мето­ди поділяються на електроакустичні, ультразвукові та радіоспектрометричні.

Електроакустичний метод грунтується на залежності швидкості звуку від складу й концентрації речовин у дослі­джуваному середовищі.

Ультразвуковий метод грунтується на поглинанні або зміні швидкості поширення ультразвукових коливань у рі­динах і газах (наприклад, швидкість поширення ультра-• звуку у воді в чотири рази більша, ніж у повітрі). Прилади, побудовані на основі цих методів, складаються з акустич­ного або ультразвукового випромінювача і приймача-перетворювача з електричним вихідним сигналом.

Радіоспектрометричні —це методи ядерного магніт­ного та електронного парамагнітного резонансів (ЕПР). Поріг чутливості 0,1—0,0001% об'єму. Мінімальна кіль­кість твердого тіла не перевищує 10 -13 г, похибка вимірю­вань — (2—3)%.

Радіочастотні мас-спектрографи дозволяють безперервно аналізувати речовину і можуть бути використані для авто­матичного регулювання технологічних процесів.

Прилади з тепловими перетворю­вачами. Найширше застосування дістав метод аналізу хімічного складу газів, що грунтується на залежності теп-



лопровідності газової суміші від складу й концентрації складових. Його використовують для вимірювання концен­трації водню, вуглецю, гелію і вуглекислого газу, тепло­провідність яких значно відрізняється від теплопровідності інших газів. Вимірювальні схеми є мостові та компенса­ційні.

Мостову схему газоаналізатора зображено на рис. 214. Плечами моста є підігрівні терморезистори, з яких R2 і R4 розміщені в герметичних камерах, a Rl \ R3 —в камерах, через які проходить досліджувана газова суміш. Герме­тичні камери мають бути заповнені газовою сумішшю ком­понентів, концентрація яких вимірюється. Можна засто­совувати і компенсаційну схему (рис. 215), яка порівняно з мостовою має ряд переваг:

1) опори під'єднуючих проводів не впливають на резуль­тат вимірювань, тому можна використовувати низькоомні перет