книги / Теплотехнические измерения и приборы

Приведенное сопротивление передающих реостатных преобразо­ вателей выполняется равным 90 (КС4) и 100 Ом (КП1, КС1, КС2). Пределы допускаемой основной погрешности реостатного передаю­ щего преобразователя не превышают ±0,5% нормирующего значе­ ния измеряемой величины.

Одноточечные приборы типа КВП1,. КВМ1 и КВУ1 снабжаются передающими реостатными преобразователями, изготовляемыми также по типу реохорда. Рабочую и токоотводящую спирали этих преобразователей укладывают в канавки пластмассового круглого корпуса, который служит основанием измерительного реохорда. Движок подвижного контакта этого рео­

статного преобразователя жестко укреп­
лен на валу, так же как и движок кон­
такта измерительного реохорда.
Рассмотрим			принципиальную схему
дистанционной			передачи сигнала		изме­
рительной информации с использованием
реостатиого передающего преобразова-
теля	и показывающего логометра ЛПр.
Обозначения на схеме логометра (рис.
8-2-3)		соответствуют принятым			выше
(§ 5-7). При среднем положении движка
Д ta	=	>г) преобразователя 1 R2 = R3u
Ri +	R'n + Ri +			+ RJI + R ^ r ^
(здесь Rn и R* — резисторы для подгон­
ки сопротивления проводов) потенциалы
точек а и b одинаковы,				а токи	/ р и / р
в рамках логометра 2 равны и проти­
воположны.				движка	вправо	Рис. 8-2-3. Схемадистанцион­
При		перемещении				ной	передачи с использова­
ta >	г2) потенциал точки а повышает­					нием	реостатного преобразо­
						вателя и логометра.
ся, а	потенциал точки			b понижается.

Соответственно ток / р уменьшается, а ток / р увеличивается. Когда движок Д передвигается влево, ток / р увеличивается, а ток / р уменьшается.

Зависимость соотношений токов в рамках логометра от изме­ нения сопротивлений гх и г2 нелинейна- и шкала логометра будет неравномерной.

На рис. 8-2-4 приведена принципиальная мостовая схема дистан­ ционной передачи измерительной информации с использованием двух реостатных преобразователей. Один из них, установленный

во вторичном одноточечном приборе	7,	является	передающим,
а второй, установленный в дублирующем приборе			2,	выполняет
функции следящего. Преобразователи	с	постоянными		манганино­

выми резисторами Ri, R3и Т?4 образуют схему автоматического уравновешенного моста. Для подгонки сопротивлений соединитель­

ных проводов до заданного значения служат манганиновые рези­ сторы R'n и

При нарушении равновесия мостовой схемы вследствие переме­ щения движка передающего реостатного преобразователя на вход

	усилителя			подается			напряжение
	небаланса			с вершин			а и 6.			Этот
	сигнал		усиливается				усилителем
	до значения,				достаточного					для
	приведения			в действие				реверсив­
	ного двигателя				РД дублирующего
	прибора.		Выходной				вал		двига­
	теля,	кинематически					связанный с
	движком			следящего			реостатного
	преобразователя				и	кареткой				ука­
	зателя, передвигает					их до тех пор,
	пока не будет достигнуто равно­
	весие мостовой схемы. При дости­
	жении	равновесия мостовой схемы
	ротор реверсивного двигателя оста­
	навливается, а				движок			следящего
	преобразователя и каретки с ука­
	зательной			стрелкой		(или			пером)
	занимает			положение,				соответст­
Рис. 8-2-4. Мостовая измеритель­	вующее измеряемой величине, т. е.
	показанию вторичного						прибора.
ная схема дистанционной передачи	Основным достоинством рассмо­
с использованием реостатных пре­	тренной		мостовой			измерительной
образователей.
	схемы	дистанционной						передачи
	является		достаточно			высокая				точ­

ность и независимость показаний от изменения напряжения пита­ ния. Питание измерительной схемы может осуществляться как переменным, так и постоянны^ током.

8-3. Измерительные тензопреобразователи

Действие измерительных тензопреобразователей основано на изменении электрического сопротивления упругого тела при его деформации. Тензопреобразователи, выполняемые из металлической проволоки или фольги, широко применяются в научно-технической практике. Они используются в качестве передающих преобразова­ телей в измерительных устройствах для измерения переменного во времени давления, преобразованного предварительно в деформа­ цию. Металлические тензорезисторы широко применяются также и

вкачестве первичных преобразователей для измерения деформаций

вдеталях механизмов и машин при их исследовании.

Наряду с металлическими тензопреобразователями находят применение также и полупроводниковые тензорезисторные преобра­ зователи. Для создания .промышленных быстродействующих при­ боров давления, снабженных передающими преобразователями, обладающими малыми размерами и массой, наиболее перспектив-

ными являются полупроводниковые тензопреобразователи. Они об­ ладают более высокой тензочувствительностью по сравнению с металлическими тензорезисторами и позволяют с помощью усилителя получить унифицированный выходной

сигнал		постоянного		тока 0—5 мА
[41—43].
По		устройству металлические тен­
зопреобразователи			подразделяют на
наклеиваемые и ненаклеиваемые.
Наклеиваемые			тензорезисторные
преобразователи, получившие					широ­
кое	распространение,			выполняются
из уложенной зигзагообразно и при­
клеенной специальным клеем на поло­
ску тонкой прочной бумаги (или пла­
стмассы) проволоки диаметром 0,01—
0,05 мм (рис. 8-3-1).				К концам про­
волоки		теизорезистора припаяны или				Рис. 8-3-1. Проволочной тензо-
приварены выводные проводники диа­						преобразователь.
метром 0,5 и длиною				40 мм, служа­		/ — проволока; 2 — выводные про­
						водники;	3 — подложка		нз спе­
щие для включения			тензопреобразо-			циальной	бумаги или	пластмассы;
вателя		в измерительную цепь.				4 — клен;	5 — фетр;	6 — предмет;
					про­	L — база;	h — ширина		тензорези-
В	качестве материала для						стора.
волоки		используются		обычно	спла­

вы меди и никеля, никеля и хрома, никеля и железа и др* Основными требованиями к тензочувствительным материалам яв­ ляются стабильность градуировочных характеристик, малый темпе­

		ратурный коэффициент электрическо­
		го сопротивления,		по возможности
		большая	тензочувствительность			и
		т. п.
		На рис. 8-3-2 показано схематично
		устройство фольгового тензопреобра-
		зователя.	Эти тензопреобразователи
		выполняют из металлической (кон-
Рис. 8-3-2. Фольговый тензопре-		стантановой, хромоникелевой			и	др.)
образователь.		фольги толщиной 0,001—0,01			мм вы­
вследствие	чегополучается	травлением соответствующих			частей,
		решетка	требуемой	формы.	Такой
способдает	возможность	изготовлять тензорезисторы различных

форм.

Полупроводниковые тензопреобразователи изготовляют с тен­ зорезисторами из полупроводников круглого или плоского сечения.

Для измерения относительного удлинения во многих направле­ ниях применяют тензопреобразователи, имеющие три или четыре проволочных теизорезистора, соответствующим образом ориентиро­ ванные и наклеенные на одну общую подложку. Тензорезисторы могут быть наклеены рядом друг с другом или друг на друга [44].

Металлический тензорезисторный передающий преобразователь механически соединяют, например, с манометрической пружиной или плоской мембраной, которая деформируется под действием измеряемого давления. При деформации меняются размеры и удель­ ное электрическое сопротивление проволоки тензопреобразователя. Размер деформации определяет изменение электрического сопро­ тивления тензорезистора, измеряемого обычно с помощью мостовой измерительной схемы.

Активное сопротивление R проволочного проводника

(8-3-1)

где р — удельное электрическое сопротивление проволоки, Ом-м; I — длина проволоки, м; F — площадь поперечного сечения про­ волоки, м2.

При деформации (изменения осевого напряжения) проволоки изменяются ее длина, сечение, удельное электрическое сопротив­

ление и результирующее	относительное изменение ее активного
сопротивления равно
	_	Д (	, Д р _	A F
R	~	I +	р	F

Выражая в этом уравнении относительное изменение площади поперечного сечения проволоки через продольное изменение с помо­ щью коэффициента Пуассона ц

получаем:

(8-3-2)

Разделив уравнение (8-3-2) на А///, получим уравнение, опре­ деляющее коэффициент деформации (тензочувствительность) пря­ мой проволоки:

S = l + 2p. + ^ .

(8-3-3)

Для металлов, из которых изготовляют проволочные тензопреобразователи, коэффициент Пуассона в области упругих деформа­ ций лежит в пределах от 0,25 до 0,5.

Проволочный тензопреобразователь обычно наклеивают на ис­ следуемую деталь или упругий чувствительный элемент манометра таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением наиболь­ шего напряжения. При одноосном напряжении, кроме деформации в направлении напряжения, возникает поперечная деформация. Вследствие деформации частей, которые не находятся в направле­ нии напряжения, по изменению удельного электрического сопро­ тивления и известной тензочувствительности s проволоки точно

определить значение относительного удлинения нельзя. Нельзя также тензочувствительность тензопреобразователя приравнять тензочувствительности s прямой проволоки. Влияющим фактором является также и неравномерность распределения напряжения при сдвиге, посредством которого передается деформация детали или упругого чувствительного элемента на проволоку тензопреобра­ зователя.

Влияние поперечной деформации на тензочувствительность преобразователя sn уменьшается с уменьшением ширины h тензо­ преобразователя и с увеличением сечения поперечных проводников между продольными проволоками (см. рис. 8-3-1).

Значение тензочувствительности sn проволочного тензопреобра­ зователя при одинаковом числе витков зависит от размера его базы

L (если L < 15 мм). При L ^ 15 мм	тензочувствительность snпрак­
тически не меняется с увеличением	базы.

Тензочувствительность s„ тензопреобразователей обычно опре­ деляют при заданном значении тока путем их индивидуальной гра­ дуировки. В большинстве случаев значение сопротивления тензо­ преобразователя лежит в пределах 80—600 Ом при 20°С. Измене­ ние сопротивления тензопреобразователя в зависимости от удлине­ ния обычно определяют с погрешностью 1—2%.

Относительное изменение сопротивления металлических тензо­ преобразователей не превышает 1 % даже при наибольших размерах удлинения проволок, и для уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы материал проволоки (фольги) тензопреобразова­ теля имел возможно меньший температурный коэффициент электри­ ческого сопротивления. При минимальном значении температурного коэффициента сопротивления материала проволоки и осуществле­ нии дополнительных мер температурную погрешность можно свести практически к нулю.

8-4. Дифференциально-трансформаторные преобразователи и схемы дистанционной передачи

Дифференциально-трансформаторные преобразователи предназ­ начены для преобразования линейного перемещения сердечника в выходной электрический параметр (сигнал). Переменным пара­ метром у преобразователей этого типа является значение взаимной индуктивности между обмотками. Дифференциально-трансформа­ торные преобразователи широко применяются в первичных прибо­ рах (манометрах, дифманометрах и др.), рассматриваемых ниже, в качестве передающих и во вторичных приборах— в качестве компенсирующих.

Электрическая схема дифференциально-трансформаторного пре­ образователя ДТП приведена на рис. 8-4-1. Преобразователь со­ стоит из двух секций первичной обмотки 3, намотанных согласно, двух секций I и 2 вторичной (выходной) обмотки, включенных встречно, и подвижного сердечника 4, Сердечник передающего

преобразователя соединен с чувствительным элементом первичного

прибора (рис.	10-5-1, 12-5-1 и др.),		а сердечник компенсирующего
преобразователя, устанавливаемого			во вторичном приборе, кине­
		матически связан через рычаг и профилирован­
		ный кулачок с валом реверсивного асинхронно­
		го двигателя.	первичной обмоткой	преобра­
		Создаваемый
		зователя магнитный поток индуктирует в сек­
		циях выходной обмотки э. д. с. ег и		е2, значе­
		ния которых зависят от тока питания обмотки /,
		частоты тока и взаимных индуктивностей М1 и
Рис. 8-4-1. Схема		М 2 между секциями 1 и 2 и первичной обмот-
дифференциально-		кой. Взаимные индуктивности Мх и М2 равны
Преобразователя™		межДУ собой ПРИ среднем (нейтральном) поло-
р у	‘	женин сердечника внутри катушки преобразо­
		вателя1. При перемещении сердечника		вверх из

среднего положения значение взаимной индуктивности М х увели­ чивается, а М2 уменьшается. Если сердечник из среднего положе­ ния перемещается вниз, то М х уменьшается, а М 2 увеличивается.

Так как секции 1 и 2 включены встречно, то взаимная индук-

’тивность М = М г — М 2 между выходной обмоткой и первичной обмоткой в зависимости от положения сердечников определяется выражением

М = МЛег&,	(8-4-1)
Х П

где М п номинальное (максимальное) значение модуля взаимной индуктивности, соответствующее полному (номинальному) рабо­ чему ходу сердечника из среднего положения хп; х — перемещение сердечника от нейтрали; ср — аргумент вектора взаимной индуктив­ ности.

Зависимость между значением взаимной индуктивности М и от­ носительным перемещением сердечника х!хп для неунифицирован­ ного дифференциально-трансформаторного преобразователя приве­

дена на рис.		8-4-2.
	Значение выходной э. д. с. Е дифференциально-трансформатор­
ного преобразователя равно
		Ê = — jaÎM = — j(ùÎMn—е-K,	(8-4-2)
		*11	'
где	/ — ток	питания первичной обмотки преобразователя, А;
со =	2я/, здесь / — частота тока питания, Гц.

Значение и фаза выходного сигнала Е зависят от положения сердечника в катушке преобразователя по отношению к нейтрали (рис. 8-4-1).

1 Ниже при рассмотрении дифференциально-трансформаторного преобразо­ вателя не учитывается остаточная взаимная индуктивность, зависящая от допус­ ков, принятых при изготовлении преобразователей.

На рис. 8-4-3 показана принципиальная схема дистанционной передачи сигнала измерительной информации первичного прибора на вторичный прибор с помощью неунифицированных дифференци­

ально-траисформаторных преобразовате-
лей. На рис. 8-4-3 приняты следующие
обозначения: ПШ — первичный прибор;
ДТП — передающий			преобразователь
первичного	прибора;		ВП — вторичный
прибор; ДТП-2 — компенсирующий пре­
образователь вторичного прибора;					У —
усилитель;	РД— реверсивный				двига­
тель, выходной вал		которого через про­
филированный кулачок и рычаг соединен
с сердечником компенсирующего преобра­
зователя; К— каретка с указателем, ки­
нематически связанная с выходным ва­						Рис. 8-4-2. Характеристика
лом реверсивного двигателя; КО — кор­						неунифицированного преоб­
ректор «нуля» — катушка с				регулируе­		разователя ДТП.
мым сердечником,		которая		состоит из

первичной обмотки и двух секций вторичной, включенных встречно; КИ— кнопка контроля исправности вторичного прибора.

Первичные обмотки дифференциально-трансформаторных пре­ образователей и катушка корректора «нуля» соединены последова­

		тельно .и питаются				переменным
		током напряжением				33 В,			ча­
		стотой 50 Гц от специальной об­
		мотки силового трансформатора
		усилителя. Вторичные					обмотки
		преобразователей соединены по
		компенсационной схеме.
		При		рассмотрении			действия
		измерительной схемы будем по­
		лагать, что сердечник в катушке
		корректора «нуля» находится в
		среднем положении.
		При рассогласованных поло­
		жениях		сердечников			передаю­
		щего	и	компенсирующего					пре­
	Рис. 8-4-3. Измерительная схема ди­	образователей			выходная			э. д. с.
		Ег и		компенсирующая				Е2 не
	станционной передачи сигнала измери­
	тельной информации с использованием	равны		между собой и на вход
	^унифицированных преобразователей	усилителя поступает сигнал не­
	ДТП.	баланса ДЕ = Ег— £ 2» значе­
		ние	и	фаза	которого			зависят

от значения и направления рассогласования сердечников. Сигнал небаланса АЕ усиливается и приводит в действие реверсивный дви­ гатель, выходной вал которого с помощью кинематической связи перемещает сердечник преобразователя ДТП-2 до тех пор, пока

сигнал небаланса ДЕ, уменьшаясь, не станет меньше порога чув­ ствительности усилителя. При достижении баланса измерительной схемы ротор реверсивного двигателя остановится, а сердечник компенсирующего преобразователя и каретка займут положение, соответствующее определенному ходу сердечника преобразователя ДТП первичного прибора, а следовательно, и измеряемой вели­ чине. В этом случае Ех — Е2 и М„ = Мв.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь является параметрическим преобразователем, в котором перемещение сер­ дечника преобразовывается в параметр — взаимную индуктивность между первичной и вторичной обмотками. Неравенство взаимных индуктивностей М„ и Л'1„ обусловливает возникновение в измери­ тельной схеме (рис. 8-4-3) сигнала небаланса.

В схеме вторичного прибора предусмотрено дополнительное устройство КО, позволяющее в случае необходимости производить корректировку нуля измерительного комплекта. Смещение нуля может происходить за счет перегрузки первичного прибора, его пе­ реноски и т. д. Корректировку нуля производят с помощью сердеч­ ника катушки КО, вращая его до тех пор, пока стрелка вторичного прибора не установится против нулевой отметки шкалы с норми­ рованной погрешностью.

Для проверки исправности вторичного прибора предусмотрена перемычка с кнопкой КИ («контроль»). При нажатии кнопки зако­ рачиваются выходная цепь передающего преобразователя ДТП и вторичная обмотка катушки КО. Если прибор исправен, то стрелка его должна установиться против контрольной отметки на цифер­ блате.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи с харак­ теристикой, приведенной на рис. 8-4-2, используются в показываю­ щих вторичных автоматических приборах типа ДП с вращающимся цилиндрическим циферблатом типа ЭИВ, в показывающих и само­ пишущих миниатюрных типа ДСМ, малогабаритных типа ДС; в показывающих и самопишущих типа ЭПИД.

Если вторичный прибор из числа указанных типов в комплекте с дифманометром предназначен для измерения расхода жидкости, газа или пара по перепаду давления в сужающем устройстве, то он снабжается квадратичным кулачком, так как между расходом и перепадом давления существует квадратичная зависимость (гл. 14). Во всех других случаях вторичные приборы имеют линейный ку­ лачок.

Рассмотренные дифференциально-трансформаторные преобразо­ ватели невзаимозаменяемы и измерительные комплекты, состоящие из первичных приборов с такими преобразователями и указанных выше вторичных приборов, требуют индивидуальной градуировки.

Рассмотрим унифицированные взаимозаменяемые дифференци­ ально-трансформаторные преобразователи, разработанные и осво­ енные московским приборостроительным заводом «Манометр». Уни­ фикация выполнена на базе проведенных на заводе «Манометр» под

руководством Ю. Я. Вострикова исследований дистанционной диф­ ференциально-трансформаторной измерительной системы [45, 46].

На рис. 8-4-4 показано устройство взаимозаменяемого диффе­ ренциально-трансформаторного передающего преобразователя ДТП и его электрическая схема. Катушка преобразователя, выполненная на каркасе из пресспорошка, имеет две секции первичной обмотки 3, намотанные согласно, и две секции 1 и 2 вторичной (выходной) обмотки, намотанные встречно без разрыва провода. К выходной обмотке подключен делитель, состоящий из регулируемого рези­ стора и постоянного резистора R2. Внутри канала катушки преобразователя находится подвижный сердечник 4 из стали (марок Э8, ЭЮ, Э12), соединяемый с чув­

ствительным	элементом первич­
ного прибора. Для		защиты сер­
дечника от коррозии он заклю­
чен в оболочку из нержавеющей
немагнитной	стали (36НХТЮ).
В катушке преобразователя сер­
дечник внутри защитной оболоч­
ки показан пунктиром. Сердеч­
ник из среднего		нейтрального
положения может перемещаться
вверх или вниз на нормирован­
ное расстояние.
Катушка	передающего пре­
образователя	ДТП	закрыта эк­	Рис. 8-4-4. Устройство (а) и электри­
раном, прикрепляемым к фланцу
каркаса (на	рис. 8-4-4, а экран		ческая схема (б) взаимозаменяемого
			передающего преобразователя ДТП.

и фланец не показаны). Передаю­ щие преобразователи ДТП могут применяться с разделительной не­

магнитной трубкой 5 (на рис. 8-4-4, а показана пунктиром) и без нее. Выбор того или иного варианта зависит от типа первичного прибора.

Взаимозаменяемые дифференциально-трансформаторные пере­ дающие преобразователи имеют модификации ДТП-1, ДТП-2 и ДТП-3 с номинальным рабочим ходом сердечника из среднего поло­ жения 1,6; 2,5 и ,4 мм соответственно. Допускаемые отклонения ра­ бочего хода сердечника для этих преобразователей не превышают ±25% номинального значения.

'Дифференциально-трансформаторные преобразователи модифи­ кации ДТП-4 с номинальным рабочим ходом сердечника 4 мм, уста­ навливаемые во. вторичных приборах, устроены аналогично с пере­ дающими и снабжены дополнительной тр’етьей обмоткой ДО с под­ ключенным к ней регулируемым резистором R3для корректировки нуля измерительного комплекта по шкале вторичного прибора. До­ полнительная обмотка ДО из двух секций размещается возле сред­ ней щеки каркаса катушки (на рис. 8-4-4, а обмотка ДО показана пунктиром). Секции этой обмотки наматываются проводом ПЭВ-2-0,2 поверх вторичной обмотки,

Электрическая схема дифференциально-трансформаторного пре­ образователя ДТП-4 с подключенным к нему корректором нуля КО, состоящим из обмотки ДО и регулируемого резистора R3, показана

ко	на рис. 8-4-5. К выходной обмотке пре­
	образователя	подключен	делитель,
	состоящий из регулируемого резисто­
	ра R't и постоянного резистора R».
	Обмотки и	сопротивления рези­
	сторов делителя передающих (ДТП-1,
	ДТП-2, ДТП-3) и компенсационного
	(ДТП-4) преобразователей выбраны
	так, что их характеристики		при токе
Рис. 8-4-5. Схема взаимозаме­	питания 125 мА и частоте 50 Гц (на­
няемого компенсирующего пре­	пряжение 12 В) одинаковы. Номиналь­
образователя ДТП-4.	ное значение	взаимной	индуктив­
	ности между	выходной	цепью и

первичной обмоткой для всех модификаций взаимозаменяемых пре­ образователей ДТП принято равным 10 мГ. Значение взаимной ин­ дуктивности М между выходной цепью

и первичной обмоткой для этих преоб­					МГ м
разователей		определяется выражением
	М =	= Мп - е-’е;		(8-4-3)	8
		/с о /	х и
из (8-4-3) выходное			напряжение преоб­
разователя
	Ü =			(8-4-4)	-	Х/Хи
где Ма— номинальное значение взаим­					0,2 Ofi 0,6	0,8 1,0
ной	индуктивности		(М„ = 0,01 Г), со­		Рис. 8-4-6. Характеристика
ответствующее номинальному				рабочему
ходу	сердечника хп\ х — перемещение				взаимозаменяемых	преобра­
					зователей ДТП.
сердечника от нейтрали; е — номиналь­
ное значение		угла	потерь (угол сдвига

фазы сигнала напряжения переменного тока по^отношению к фа­ зе тока питания, сдвинутой на 90°), е = 0,1222 рад или 7°.

При градуировке (поверке) первичного и вторичного приборов верхний предел выходного напряжения, а следовательно, и взаим­ ной индуктивности преобразователей ДТП можно изменять (пере­ дающего на ±25% , компенсационного на ±15%) с помощью регули­ руемых резисторов /?! и Ri делителей.

Зависимость между значением взаимной индуктивности М и относительным перемещением сердечника х/х„ взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя приведена на рис. 8-4-6. Нелинейность зависимости М = f (х/хи) преобразова­ теля ДТП не превышает 0,5% номинального значения взаимной ин­ дуктивности.