ЕРВ

З низки неелектричних величин, які необхідно вимірювати на теплових електростанціях, температура — це є саме та фізична величина, вимірювання якої проводять найчастіше.

Всі методи і засоби вимірювання температури можна розділити на дві групи: контактні та безконтактні. За контактного вимірювання чутливі до величини температури елементи перебувають у середовищі, температуру якого вимірюють.

При цьому користуються термометрами опору чи термопарами. Термометри опору з’єднано з логометрами чи автоматичними мостами, які, реагуючи на величини опорів термометрів опору, перетворюють ці величини на відхилення покажчиків електровимірювальних приладів, градуйованих у градусах температури.

Термопари з’єднуються з мілівольтметрами або з автоматичними потенціометрами, які, реагуючи на ЕРС термопар, перетворюють ці ЕРС на показання приладів, градуйованих у градусах температури.

За безконтактного вимірювання чутливі до температури елементи і все обладнання, що пов’язане з ними, знаходяться на деякій відстані від об’єкта, температуру якого вимірюють

Найчастіше для вимірювання температури застосовують контактні методи, що передбачають використання як чутливих елементів перетворювачів електричного опору (далі “термоперетворювачі опору”) чи термопар.

Дія термоперетворювачів опору основана на зміні електричного опору металів, чи напівпровідників, при зміні температури.

Найбільш поширені у промисловості платинові та мідні термоперетворювачі опору. Платинові термоперетворювачі здатні вимірювати температуру від -260 до 750 °С; мідні — від -200 до 200 °С.

Найпростішим вторинним приладом, тобто приладом, що показує величину температури згідно зі зміною величини опору термоперетворювача опору, є логометр магнітоелектричної системи. Шкала логометра градуйована в градусах. Розрахований він на використання з термоперетворювачем опору саме того типу, що вказано на шкалі приладу.

Принципова електрична схема логометра з термоперетворювачем опору зображена на рис. 1. Завдяки нерівномірному повітряному проміжку у вимірювальному механізмі постійний магніт М створює нерівномірне магнітне поле, у якому є дві перехрещені рамки Р₁ і Р₂. Послідовно з першою рамою увімкнено перетворювач опору R_T0, а послідовно з другою — резистор, виконаний з манганіну.

При температурі, що відповідає початку шкали логометра, величина опору перетворювача R_T0 буде найменшою, а струм у рамці, яка ввімкнена послідовно з цим опором, буде найбільшим. Завдяки цьому рамка створюватиме найбільший обертовий момент, що буде врівноважений найбільшим моментом, створюваним другою рамкою, яка перебуває у положенні, де щілина між полюсами магніта М і центральним осердям буде близькою до мінімальної.

Рисунок 1. Принципова електрична схема логометра з термоперетворювачем опору

При збільшенні величини контрольованої температури величина опору перетворювача R_T0 збільшуватиметься, а струм у ньому і у рамці, що ввімкнена послідовно з ним, а також і обертовий момент, створюваний цією рамкою, зменшуватимуться. При цьому врівноваження її моменту має відбутися при такому куті відхилення стрілки, при якому друга рамка потрапить у місце щілини між полюсами магніту і центральним осердям, де ширина щілини буде більшою, ніж у попередньому випадку, оскільки ця рамка повинна створювати меншу величину обертового моменту, при незмінній величині струму в ній, зумовленій опором манганінового резистора незмінної величини. У другому положенні врівноваженості обертових моментів рамок приладу стрілка покаже величину температури, до якої було нагріто термоперетворювач.

Коливання величини напруги живлення практично не впливатимуть на показання логометра, бо вони однаковою мірою змінюватимуть величини струмів обох рамок, тобто однаковою мірою змінюватимуть і величини обертових моментів, що створюються обома рамками. При цьому рівновага не порушується і рухома частина приладу не змінить свого положення. Таким чином, питання про доцільність точної стабілізації величини напруги, що живить схему, тут не виникає.

Опори R_П1 та R_П2 призначені для початкового перегулювання величини опору лінії між термоперетворювачем і логометром до тієї величини, на яку розраховано логометр. Це, звичайно, 5 чи 15 Ом (уточнюється згідно з технічним описом приладу).

Логометри дуже часто використовують у схемах вимірювання температури. Але за необхідності проведення вимірювань з похибками, що не перевищували б одного відсотка, або реєстрації температури, термоперетворювачі опору використовують разом з автоматичними мостами, які забезпечують вимірювання з похибками, що не перевищують 0,25...0,5%. Але схеми з автоматичними мостами значно складніші за схеми з логометрами, та й вартість цих мостів набагато більша за вартість логометрів. На це слід зважити, вирішуючи питання про застосування схем вимірювання температури.

Спрощену принципову схему автоматичного врівноваженого мосту, що застосовується при вимірюванні температури за допомогою термоперетворювача опору, зображено на рис. 2. У цій схемі термоперетворювач R_T0 ввімкнено в одне з плечей вимірювального мосту. При цьому термоперетворювач приєднано за трипровідною схемою, де джерело живлення приєднане до мосту коло самого перетворювача так, що проводи лінії з’єднання перетворювача з мостом і R_П опиняються у різних плечах мосту. Це дає можливість суттєво зменшити похибку вимірювань, спричинену зміною опорів мідних з’єднувальних проводів у залежності від збільшення або зменшення температури довкілля. Зміна ця може бути істотною при значній відстані між перетворювачем і мостом. Автоматично міст балансується пересуванням рухомого контакту реохорда R_P, механічно з’єднаного з асинхронним реверсивним двигуном Р_Д, керованим напругою підсилювача П, вхідні затискачі якого ввімкнено у вимірювальну діагональ мосту

Рисунок 2. Принципова схема автоматичного врівноваженого мосту

Якщо міст не збалансовано, то наявна на вимірювальній діагоналі напруга підсилюється цим електронним підсилювачем і сприймається реверсивним двигуном як напруга на обмотці управління двигуна. Ротор двигуна починає обертатись у бік зменшення розбалансування мосту. При цьому рухомий контакт реохорда R_P переміщується до положення, у якому міст буде збалансовано, тобто напруга на його вимірювальній діагоналі дорівнюватиме нулю. У цьому разі напруга, прикладена до обмотки управління двигуном, також дорівнюватиме нулю. Це призведе до зупинки двигуна рухомого контакту реохорда і покажчика температури, який показуватиме саме ту величину температури, яка діє на термоперетворювач Подальший рух контакту реохорда і покажчика по шкалі відбуватиметься в разі зміни величини температури, контрольованої термоперетворювачем R_T0

Схема автоматичного мосту має два підгінні резистори R_П, за допомогою яких опори кіл проводів лінії, що з’єднує термоперетворювач опору з мостом, підганяються до величин, обумовлених технічним описом.

Якщо за перетворювач температури прийнято термопару, яка перетворює температуру на термоелектрорушійну силу, то вторинними приладами, які вимірюють цю ЕРС, можуть бути мілівольтметр або автоматичний потенціометр.

Треба зазначити, що застосування для вимірювання температури термопар породжує дещо більше проблем, ніж застосування термоперетворювачів опору. Справа в тому, що у перетворювача опору величина опору однозначно пов’язана з його температурою і від сторонніх причин майже не залежить (дуже малою мірою залежить від температури, де проходить лінія, що з’єднує термометр опору з вимірювальним приладом). При застосуванні термопари її ЕРС залежить від різниці температури місця з’єднання різнорідних проводів, що створюють її, й температури інших її кінців, що перебувають за межами об’єкта, температуру якого вимірюють. Ці проводи приєднано до приладу, що вимірює ЕРС термопари. Тобто величина вимірюваної ЕРС залежить від температури приміщення, куди заведено вільні (холодні) кінці термопари.

У більшості випадків температура у приміщенні залежить від температури зовнішньої атмосфери, а то й від зовсім не передбачуваних причин (наприклад, від наявності або відсутності протягів у приміщенні). Звичайно, при наявності постійно ввімкненого кондиціонера, що, незалежно від пори року, підтримує незмінну температуру у приміщенні, куди заведено холодні кінці термопар, вказаний недолік можна суттєво зменшити. Але у реальних умовах, за наявності розкиданих на значних відстанях місцях встановлення вимірювальних кінців термопар, виготовити ці термопари з нерозривними лініями однорідних проводів неможливо. Тому користуються кількома засобами зменшення впливу коливань зовнішньої температури на результати вимірювань. До цих засобів відносять: укладання місць з’єднання холодних кінців термопар у посудини з танучим льодом; розміщення місць з’єднання у посудині Дюара; розміщення місць з’єднання у термостат з автоматичним регулюванням температури на рівні вищої, ніж можна очікувати у експериментальних випадках; розміщення місць з’єднання глибоко у землю, де практично відсутні сезонні коливання температури; розміщення місць з’єднання у масивних металевих коробах; автоматичне введення поправок до показань вимірювальних приладів, залежно від величини температури у приміщенні, де зібрано місця з’єднань.

Для перенесення місць з’єднання термопари з приладами, розміщеними у місці зі стабільнішою температурою, ніж та, що є біля кінців термопари, які виходять з контрольованого об’єкта, застосовують термоелектродні проводи. Часто їх називають “компенсаційними проводами”, хоча насправді ніякої компенсації температурної похибки вимірювань вони не здійснюють, а лише переносять можливе місце з’єднання далі від місця вимірювання.

Термоелектродні проводи з одного боку приєднують до вивідних кінців термопари, а з іншого — безпосередньо до вимірювального приладу.

Мілівольтметри, що застосовують для вимірювань ЕРС термопар, являють собою магнітоелектричні прилади, які приєднують або до вивідних кінців термопар, або до кінців термоелектродних проводів. Шкали цих мілівольтметрів, розрахованих на приєднання до певних термоперетворювачів, градуюють безпосередньо у градусах температури. Принципова схема з’єднання термопари ТП з мілівольтметром наведена на рис. 3. Крім вимірювального механізму ВМ, у схемі мілівольтметра присутні: резистор rд, за допомогою якого загальний опір мілівольтметра ВМ налаштовується на величину напруги термопари ТП, що відповідає величині температури, вказаній на останній позначці шкали. Паралельно між собою з’єднані терморезистор r_тр, що має негативний температурний коефіцієнт опору, та резистор r_м, виготовлений з манганінового дроту. Ці два резистори призначені для компенсації впливу температури, що є довкола приладу, на показання мілівольтметра. Резистор r_п, встановлений поряд з мілівольтметром, використовують для того, щоб підігнати величину зовнішнього опору до величини, вказаної на шкалі мілівольтметра (звичайно це 5 чи 15 Ом).

Рисунок 3. Принципова схема з’єднання термопари з мілівольтметром

Зауважимо, що поряд з нескладністю і надійністю схем вимірювання напруги термопар мілівольтметрами, ці прилади інколи не забезпечують достатньої точності вимірювань. Так, стаціонарні мілівольтметри звичайно мають клас точності, не вищий за 1... 1,5. Вимірювання з більшою точністю забезпечуються при використанні автоматичних потенціометрів, що мають клас точності 0,25 або 0,5.

Схему, призначену для вимірювання ЕРС термопари автоматичним потенціометром, показано на рис. 4. У потенціометрі використано мостову потенціометричну схему. У цій схемі ЕРС термопари компенсується падінням напруги на резисторі R _р з рухомим контактом, що переміщується за допомогою реверсивного двигуна РД, обмотка управління якого W_y живиться від електронного підсилювача П. Двигун РД разом з рухомим контактом А резистора R_р пересуває вздовж шкали механічно з’єднаний з ним покажчик температури, а разом і каретку з пристроєм для писання, що на рухомій паперовій стрічці або на паперовому диску викреслює залежність температури від часу.

Рисунок 4. Принципова схема для вимірювання ЕРС термопари автоматичним потенціометром

Якщо між точками А та Б цієї схеми напруга дорівнює ЕРС термопари ТП, то напруги на вхідних затискачах 1 і 2 електронного підсилювача П немає. А так немає напруги і на його вихідних затискачах 3 і 4. Двигун РД при цьому перебуває у спокої, хоча напруга на його обмотці збудження W₃ є завжди. Треба пам’ятати, що двигун РД — це двофазний асинхронний двигун, ротор якого починає обертатися лише за наявності напруг на обох його обмотках, та ще й зсунутих за фазою одна відносно іншої.

Якщо ж ЕРС термопари не повністю врівноважена падінням напруги, що є між точками А та Б, то напруга з’явиться на затискачах 1 і 2 підсилювача П.

У підсилювачі П ця напруга постійного струму перетвориться у напругу змінного струму (для цього там є вібраційний перетворювач) і, після підсилювання у фазочутливому блоці цього підсилювача, з’явиться на затискачах З і 4 підсилювача П. Ротор двигуна РД прийде до руху й почне перемішувати рухомий контакт резистора R_р у бік зменшення напруги між точками 1 та 2 підсилювача П. Після зменшення цієї напруги до нуля, напруга на обмотці управління W_y зникне і двигун РД зупиниться, пересунувши рухомий контакт резистора R_р, а з ним і покажчик температури, і пристрій для писання у положення, що відповідає новому значенню вимірюваної температури.

Наявність у схемі резистора R_м, виконаного з мідного ізольованого дроту, дає можливість частково компенсувати похибку вимірювань, спричинену зміною величини температури у приміщенні, де встановлено автоматичний потенціометр і водночас розміщено зовнішні кінці термопари, або кінці термоелектродних (компенсаційних) проводів.

Зміна величини температури у приміщенні призводить до деякої зміни величини опору резистора R_м (бо у міді досить значна величина температурного коефіцієнта електричного опору), завдяки чому величина напруги між точкою Б схеми і точкою А зміниться саме настільки, наскільки зміниться величина ЕРС термопари ТП завдяки зміні температури її зовнішніх кінців.

Резистори R_ш, R_H та RH1 призначені для початкового вста- ноачення меж вимірювання температури; R_H та R_H1 — для встановлення температури, що відповідає початку шкали потенціометра; R_Б — резистор початкового регулювання величини напруги, що надходить на мостову потенціометричну схему від джерела стабільного живлення ДСЖ.

Більшість автоматичних потенціометрів мають сигнальний пристрій, що подає світловий чи акустичний сигнал після переходу вимірюваної температури через заздалегідь задані величини. Крім того, потенціометри мають контакти, що здатні керувати електричними апаратами автоматичного керування процесом нагріву контрольованого об’єкта, наприклад електротермічної печі.

Вимірювання надзвичайно високих температур, або помірних температур в умовах, несприятливих для розміщення в об’ємі з контрольованою температурою термоперетворювачів (наприклад, через наявність агресивного середовища), виконується за допомогою пірометрів, які можуть визначати величину температури через випромінювання.

Найбільш простими є яскравісні пірометри, де яскравість випромінюючого предмета (наприклад, деталі, що проходить термічну обробку у печі, яка має невеликий отвір у дверцях чи у стінці) порівнюється з яскравістю зразкового випромінювача — ниткою розжарювання фотометричної лампи. Для такої лампи заздалегідь визначається залежність між температурою розжарюваної металевої нитки і величиною електричного струму, що проходить через неї.

Будова оптичного пірометра, що визначає температуру на основі порівняння яскравостей, показано на рис. 5, а, де 1 — міліамперметр; 2 — реостат; 3 — окуляр; 4 — фотометрична лампа; 5 — корпус пірометра; 6 — об’єктив; 7 — джерело живлення кола лампи.

При вимірюванні температури об’єктив 6 спрямовують на розжарене тіло, температура якого вимірюється. За допомогою пересування об’єктива 6 і окуляра 3 досягають суміщення у одній площині зображення ділянки поверхні, що випромінює, й нитки розжарювання лампи 4. Далі за допомогою реостата 2 змінюють величину струму, споживаного ниткою лампи від джерела живлення 7. За малого струму нитка лампи лишається темною на фоні зображення розжареної поверхні (рис. 5, б, поз. 1), а при занадто великому струмі розжарена нитка виглядає яскравішою, ніж зображення розжареної поверхні (рис. 5, б, поз. 3), і лише при правильно вибраній величині струму, коли яскравості розжареної поверхні та нитки стають однаковими, нитка зникає з поля зору (рис. 5, б, поз. 2). Необхідно міліамперметром 1 точно виміряти струм, за якого нитка зникла з поля зору, а далі, виходячи з відомої залежності величини температури нитки розжарювання від величини струму, що її розжарює (рис. 5, в), визначають величину температури нитки, а також і температуру випромінювальної поверхні.

Рисунок 5. Оптичний пірометр: а – будова; б – можливі зображення нитки фотометричної лампи при різних величинах струму в нитці; в – залежність температури нитки від величини струму розжарювання

Більш зручними у користуванні є оптичні пірометри з міліамперметром і батареєю живлення, що конструктивно розміщені у корпусі пірометра. Звичайно, розміри і маса таких пірометрів бувають значно більшими.

Тепер вважають за доцільніше мати заздалегідь визначену залежність між температурою нитки розжарювання фотометричної лампи і напругою, що прикладена до неї. У цьому разі слід використовувати не міліамперметр, а вольтметр

Рисунок 6. Термобатарея радіаційного пірометра

У радіаційних пірометрах потужність теплового випромінювання сприймається термобатареєю, що складається з кількох термоперетворювачів (термопар), увімкнутих послідовно. На плоскі місця зварювання електродів (проводів) термопар, розташованих поряд, чи зіркою, як показано на рис. 6, напрямляють сфокусований об’єктивом промінь від випромінювальної поверхні, температуру якої необхідно визначити. Плоскі зварені кінці термопар 1 мають бути зачорнені шляхом оксидування (не блискучого), для одержання поверхні, що якнайбільше поглинає сфокусований об’єктивом промінь. “Холодні” кінці термоперетворювачів 2 слід захистити від випадкового попадання, хоч на деякі з них, частини сфокусованої світлової плями, бо це сприятиме зменшенню ЕРС термобатареї Е_ТБ.

Найчастіше ЕРС термобатареї вимірюють за допомогою автоматичного потенціометра, хоча можна застосовувати для цього і мілівольтметр.

Радіаційні пірометри здатні вимірювати температуру від І 400 до 2500 °С.

Ефективність подібних пірометрів знижується поглинанням енергії випромінювання у об’єктивах. Тому їх бажано виконувати з кварцового скла з причини малого поглинання ним інфрачервоного випромінювання.

За необхідності вимірювання радіаційними пірометрами відносно невисоких температур (у межах 100...500 °С), за яких потужність світлового випромінювання зовсім мала, бо випромінювання у них в основному інфрачервоне, користуватись об’єктивами зовсім недоцільно через значне поглинання ними енергії випромінювання. Для концентрації променя на термобатарею доцільніше використовувати увігнуте дзеркало, поперед якого встановлюють термобатарею.

Згідно з літературними джерелами, такі пірометри здатні вимірювати температури навіть значно менші за 100 °С (електронні підсилювачі для цього не потрібні).

Радіаційні пірометри менш точні порівняно з яск- равісними, але вони не потребують ручного регулювання струму, що проходить ниткою розжарювання, а на вихідних затискачах термобатареї дають напругу, величина якої пропорційна потужності випромінювання. Цими пірометрами зручно користуватись разом з автоматичними потенціометрами для безперервного вимірювання температури та її реєстрації, а також для автоматичного регулювання температури.

Фотоелектричні пірометри сприймають випромінювання світного тіла фотоелементами і перетворюють енергію випромінювання в електричний струм, величина якого функціонально пов’язана з яскравістю джерела випромінювання.

Найпростішими з цих пірометрів слід визнати переносні, виготовлені на основі напівпровідникових фотоелементів і здатні до роботи з чутливими магнітоелектричними приладами без будь-яких проміжних електронних підсилювачів.

Щодо більшості стаціонарних фотоелектричних пірометрів, виконаних на вакуумних або газонаповнених фотоелементах, то вони, звичайно, мають електронні підсилювачі, що використовуються для підсилення дуже слабких струмів фотоелементів.