Измерения температуры термопарами производится с помощью вторичных приборов пирометрических милливольтметров и электронных автоматических потенциометров.
ПИРОМЕТРИЧЕСКИЕ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ
Пирометрические милливольтметры представляют собой обычные приборы магнитоэлектрической системы с классом точности 1,5. Они служат для измерения термоэлектродвижущей силы термопар, но их шкалы градуированы в °C. Комплектуются милливольтметры с термопарами стандартных градуировок ХК, ХА.
В измерениях используются пирометрические милливольтметры следующих модификаций: переносные показывающие контрольные МПП-054; показывающие стационарные (щитовые) МПЩПл-54; самопишущие стационарные МСЩПр-00-18; показывающие стационарные с электронным регулирующим устройством МРЩПр-541.
Внешний вид пирометрических милливольтметров МРЩПр- 54 и схема показаны на рис. 93. Прибор состоит из двух частей: измерительной и регулирующей.
1 В обозначениях типов приборов знаки «Пл» и «Пр» указывают на то, что шкала у данного прибора плоская или профильная.
К измерительной части здесь относятся рамка I измерительного механизма, стрелка 2 с закрепленным на ней алюминиевым флажком-экраном 3 и добавочное сопротивление Rд.
Рис. 93. Пирометрические милливольтметры МРЩПр-54: а — внешний вид; б — схема устройства.
Регулирующая часть состоит из управляющего контура, электронного генератора высокой частоты, электромагнитного реле Р с мощным ртутно-стеклянным выключателем РСВ и силового трансформатора Тр.
Управляющий контур включает катушку Lc сеточной цепи лампы 6ПЗС и конденсатор Сс. Катушка между своими секциями имеет зазор, в который может входить флажок-экран измерительной части прибора.
Генератор высокой частоты имеет следующие составные элементы: 6ПЗС — лучевой тетрод; Rс — сопротивление; L — дроссель высокой частоты; L2 — катушка анодного контура; С — воздушный конденсатор переменной емкости; Ср — слюдяные конденсаторы.
Принцип действия милливольтметра заключается в следующем. Допустим, что в какой-то момент под действием термоэлектродвижущей силы термопары Т стрелка прибора занимала положение, показанное на схеме. Затем измеряемый параметр отклонился до заданной величины. При этом со стрелкой прибора флажок-экран перемещается в зазор катушки Lc; в генераторе вызываются высокочастотные колебания тока (наступает режим резонанса токов); анодный ток через катушку электромагнитного реле Р резко уменьшается, вызывая срабатывание последнего; от якоря сработавшего реле через выключатель РСВ замыкается цепь исполнительного механизма или сигнального устройства. Если стрелка милливольтметра отклонится в противоположную сторону, действие прибора будет аналогичное, но в обратной последовательности.
Таким образом, прибор МРЩПр-54 не только показывает измеренную величину температуры, но может также осуществлять двухпозиционное* регулирование ее и сигнализацию.
Милливольтметр питается от сети переменного тока 220 В Потребляемая электронным регулирующим устройством мощность 60 Вт. Максимальная сила тока цепи, управляемой ртутным контактом, 15А. Габаритные размеры 296X326x262 мм. Масса не более 13,5 кг.
В последнее время разработаны более совершенные пирометрические регулирующие милливольтметры типа МР-64-02 и МР-64-03 (рис. 95,б) и показывающие милливольтметры типа М-64 (рис. 95,в).
Данные приборы имеют пределы измерения температуры 0—1600° С; класс точности 1,5; милливольтметры МР питаются от сети переменного тока 220 В, а М-64 — от сети постоянного тока 4 В. Масса приборов первого типа 3,5, второго — 3 кг.
* Приборы МРЩПр-54 могут быть снабжены и трехпозиционным регулирующим устройством.
ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ
Эти приборы предназначены для промышленных измерений и регулирования температуры с высокой точностью и работают в комплекте с термопарами стандартных градуировок. Кроме того, они могут применяться и с другими датчиками, у которых выходной сигнал является электродвижущей силой или напряжением.
Так, например, в виноделии электрические автоматические потенциометры типа ЭПД успешно используются с датчиками водородного показателя pH при контроле и регулировании концентрации моющих растворов в бутылкомоечных машинах. Они могут служить также вторичными приборами к радиационным и фотоэлектрическим пирометрам и т. д.
Преимущество потенциометров — автокомпенсаторов перед милливольтметрами заключается в наличии следящей системы, позволяющей использовать самый совершенный компенсационный (нулевой) метод измерения.
На рис. 94 приведены внешний вид и схема электронного автоматического потенциометра типа ЭПД. Схема прибора состоит из измерительного моста М, электронного усилителя ЭУ, реверсивного РД и синхронного СД двигателей.
Рис. 94. Электронные автоматические потенциометры ЭПД:
Измерительный мост имеет следующие обозначения и назначение составных элементов: Rр — сопротивление реостата-реохорда; R1— сопротивление, служит для ограничения тока по реохорду; R2— сопротивление, предназначено для подгонки сопротивления к расчетному значению 90 Ом; R3 и R4— сопротивления, ограничивают соответственно начальный и конечный пределы измерения прибора; R5 — никелевое сопротивление, применяется для автоматической компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на термоэлектродвижущую силу термопары; Rк — контрольное сопротивление, используется для установки величины рабочего тока через нормальный элемент НЭ; R6 — сопротивление сдвоенного реостата, служит для грубой и точной регулировки силы рабочего тока от стандартного сухого элемента Б напряжением 1,5 В; Rб— балластное сопротивление, предназначено для ограничения тока в цепи нормального элемента; Т — термопара; Rф и Rф — сопротивление и конденсатор электрического фильтра, защищающего электронный усилитель от попадания в него переменного напряжения, которое может быть наведено в соединительной линии; П — кнопочный переключатель, применяется для включения измерительного моста к входным зажимам 3 и 4 усилителя ЭУ (положение И, соответствующее ненажатой кнопке) и для установки рабочего тока в цепи нормального элемента (положение К); при нажатии кнопки и упавшем напряжении сухого элемента стрелка прибора не останавливаясь перемещается к отметке предельного значения шкалы, что является сигналом для смены этого источника тока; НЭ — нормальный гальванический элемент, который при нормальной температуре (20° С) развивает строго постоянную электродвижущую силу 1,0186 В, практически неизменяющуюся и при перепаде температур 5—35° С.
Электронный усилитель оснащен трансформаторами входным ТВ и выходным ВТ, усилителями напряжения УН и мощности УМ и вибрационным поляризованным переключателем (вибропреобразователем) ВП, в котором входной сигнал постоянного тока от измерительного моста преобразуется в выходной сигнал переменного тока, удобный для трансформирования и усиления.
Принцип действия прибора заключается в измерении разности электрического напряжения U1-2 между точками 1 и 2 в диагонали моста М и напряжения Uт термопары. Пусть температура измеряемой среды в данный момент была такой, какую показывает на рисунке прибор, 850° С. При этом условии напряжения U1-2 и Uт уже скомпенсировались предшествующей автоматической работой реохорда. Вал двигателя РД неподвижен, неподвижными оказались и системы передач (они показаны штриховыми линиями), стрелка, перо, ползунки реостата-реохорда и сдвоенного реостата. При повышении или понижении измеряемой температуры, на зажимах усилителя появится напряжение U1—U2 положительного (прямого) или отрицательного (обратного) направления, в зависимости от знака отклонения измеряемой величины. После вибропреобразователя ВП и трансформатора ТВ эта величина напряжения переменного тока в усилителе УН усиливается более чем в 100 000 раз.
Рис. 95. Вторичные приборы новых разработок для измерения температуры с одинаковыми корпусом и внешним видом:
а — автоматический электронный самопишущий показывающий миниатюрный потенциометр КСП1 или мост КСМ1; б — регулирующий логометр ЛР-64-02 или ЛР-64-03, или пирометрический регулирующий милливольтметр МР-64-02, или МР-64-03; в — щитовой логометр с профильной шкалой Л-64 или пирометрический милливольтметр М-64; г — малогабаритный потенциометр или мост КС-3 (компенсационный. самопишущий).
Далее усиленный управляющий сигнал передается на вход усилителя УМ, от которого при помощи трансформатора ВТ обеспечивается управление током, протекающим по обмоткам реверсивного двигателя РД. В результате системы передач от двигателя приводятся в движение в прямом или обратном направлении; напряжение U1-2 между движущимся ползунком реохорда и точкой 2 моста компенсирует напряжение Uт (снова сигнал U1-2—UT = 0); измерительная система приводится в новое равновесное состояние; стрелка показывает, а перо записывает на диаграммной бумаге измеренную величину.
Отечественным приборостроением выпускается несколько типов приборов: ЭПД-120 (потенциометры с электрическим позиционным регулирующим устройством и с 20-секундным временем прохождения стрелкой шкалы); ЭПД-107 (то же, что и ЭПД-120, но с 7-секундным временем); ЭПДП-120 (то же, что и ЭПД-120, но со встроенным пневматическим пропорциональным преобразователем) и др.
Указанные типы приборов характеризуются следующими техническими данными: основная погрешность показаний при нормальной температуре окружающего воздуха не превышает 0,5% разности нижнего и верхнего пределов измерения; привод диаграммы — от синхронного двигателя с редуктором; время одного оборота диаграммы 24 ч; питание сети переменного тока 127 или 220 В; мощность 60 В·А; габаритные размеры 425Х469Х Х326 мм; масса не превышает 26 кг.
В последние годы в нашей стране разработаны и внедряются в технике измерений автоматические электронные самопишущие показывающие миниатюрные потенциометры типа КСП1 и мосты типа КСМ1 (рис. 95, а), а также малогабаритные потенциометры и мосты типа КС-3 (компенсационные, самопишущие) (рис. 95, г), предназначенные для непрерывного измерения и записи температуры в комплекте с датчиками стандартных градуировок.
Технические данные приборов следующие: основная погрешность 1% предела измерения (КСП1 и KCMI) и 0,5 (КС-3). Габаритные размеры соответственно 160X200X500 и 367 X400 X Х400 мм; масса 12 и 15 кг.
ОСНОВЫ МОНТАЖА ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Жидкостные стеклянные термометры на производственных аппаратах и трубопроводах устанавливаются только в защитных металлических оправах (чехлах), предохраняющих их от повреждения. Так как применение чехлов увеличивает время запаздывания показаний, то для устранения этого недостатка полость между хвостовиком термометра и оправой заполняется маслом (в термометрах с пределом измерения до + 200°С) или железными опилками (до +500° С). Глубина погружения прибора в измеряемую среду трубопроводов должна обеспечивать нахождение хвостовика в середине потока.
Манометрические термометры монтируются так, чтобы термобаллон полностью погружался в измеряемую массу и находился в середине потока. Глубина погружения его регулируется зажимом, надеваемым на хвостовик. Термобаллон разрешается устанавливать в измеряемую среду вертикально, горизонтально и наклонно. При больших давлениях и скоростях потока измеряемого вещества он устанавливается в защитном чехле и пространство между ним и стенкой оправы заполняется так же, как и у стеклянных жидкостных приборов. Капилляр термосистемы прокладывается с радиусами изгибов не менее 50 мм и в таких местах, которые не подвержены действию тепловых лучей и механических повреждений. Температура воздуха в местах установки приборов не должна выходить за пределы 10—60° С.
Термометры сопротивления при монтаже рекомендуется погружать в измеряемую среду по возможности более глубоко. Минимальная глубина погружения 150 мм. При установке приборов в трубопроводе конец оболочки должен находиться дальше оси потока при платиновом термометре на 50—70 мм, а при медном — на 25—30 мм. Если при вертикальном расположении прибора в трубопроводе глубина погружения окажется недостаточной, то последний рекомендуется устанавливать наклонно, под углом π/4 рад (45°) навстречу потоку вещества. В случае измерения температуры агрессивных сред (сусло, виноматериал и т. п.) термометр сопротивления рекомендуется монтировать резьбовым соединением в гильзе, изготовленной из антикоррозийного металла и заполненной водой или раствором глицерина.
Соединительные провода должны подводиться к головке термометра в гибком шланге. Сечение проводов должно быть не менее 1—1,5 мм2. В зависимости от типа измерительного прибора, комплектуемого с термометром, общее сопротивление соединительных линий может быть доведено до 15 Ом. Допустимая величина сопротивления линий указывается на шкале вторичного прибора. Однако рекомендуется уменьшить его до 2—5 Ом, что особенно важно при прокладке в помещениях с резко меняющейся температурой. Следует также учитывать, что платиновые термометры сопротивления нельзя устанавливать на вибрирующих объектах.
Термопары устанавливаются так, чтобы рабочий конец ее находился в центре потока газов или жидкостей в трубопроводах. В трубопроводах малого диаметра термопара устанавливается наклонно рабочим концом навстречу потоку. Глубина погружения прибора должна быть не менее 300 мм. Нельзя допускать непосредственного воздействия языков пламени или потоков холодного воздуха на платиновую термопару, так как фарфоровая оболочка ее быстро разрушается при резких колебаниях температуры. Свободный конец (холодный спай) термопар нужно держать при постоянной температуре. Для этого необходимо отводить холодный спай при помощи компенсационных проводов па место с постоянной температурой, например, в коробку холодных спаев. В качестве соединительных проводов применяются медные провода и кабели различных марок с сечением жилы 1—1,5 мм2, прокладываемые открыто или в защитных трубах, в зависимости от условий работы. В местах, где возможны механические повреждения проводов, они прокладываются в защитных стальных трубах. Все соединения проводов, переходные контакты и т. д. должны быть чистыми, рекомендуется их пропаивать, но без кислоты. Сопротивление соединительной линии не должно превышать величину, указанную на шкале или в паспорте вторичного прибора. Сопротивление изоляции проводов должно быть не менее 3 МОм.
Электронные автоматические мосты и потенциометры после распаковки помещаются не менее чем на сутки в сухое отапливаемое помещение для прогрева и просыхания деталей. При выборе места для монтажа приборов необходимо учитывать следующее:
- автокомпенсаторы наиболее удовлетворительно работают при температурах 20—30° С и относительной влажности около 60%. При температуре выше 55° С эксплуатировать приборы нельзя, так как при этом не исключена возможность повреждения изоляционных материалов двигателей и трансформаторов;
- недопустимо наличие в воздухе примесей (аммиака, сернистых и других агрессивных газов), а также производственной пыли, портящих детали приборов;
- нельзя располагать вблизи автокомпенсаторов мощные источники электромагнитных полей (силовые трансформаторы, дроссели, неэкранированные силовые кабели и т. п.);
- приборы удобно обслуживать при установке их на высоте 1500 мм, считая от пола до шкалы.
Наиболее рациональным является утопленный монтаж приборов на щите. При этом они должны устанавливаться с отклонением от вертикали не более 1° После установки автокомпенсаторов к зажиму «Земля» на корпусе присоединяется заземленный медный провод диаметром 2—3 мм. Питание подводится с помощью проводов сечением не менее 1 мм2. Для предохранения от механических повреждений рекомендуется прокладывать провода в гибких металлических шлангах или в трубах с последующим заземлением последних. Прокладка силовых и измерительных проводок в одной трубе запрещается.
Логометры и милливольтметры не должны монтироваться в сфере прямого излучения световых и тепловых лучей или вблизи сильных магнитных полей. В местах установки приборов не допускаются вибрация основания и резкие колебания температуры. Логометры и милливольтметры устанавливаются на щитах с последующей проверкой по отвесу и уровню. Допускаемая точность установки ±5°.
